Glicólise e sua regulação

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1 Glicólise e sua regulação
Thais Larissa Araújo O. Silva.

2 Fermentação lática Fermentação alcoólica A glicose é obtida através da alimentação...falar da parte aeróbica e anaeróbica Otto Warburg => Células tumorais Ascites convertem glicose equivalente a 30% do peso seco em lactato/h. Efeito Pasteur => Quando a respiração (consumo de oxigênio) é iniciada em células anaeróbicas ocorre inibição da utilização de glicose e acúmulo de lactato.

3 Acetaldeído desidrogenase
Metabolismo do Etanol no fígado: ADH Álcool desidrogenase ALDH Acetaldeído desidrogenase gliconeogênese Após consumo excessivo de álcool e jejum: Hipoglicemia

4 FIGURE 14-2 The two phases of glycolysis
FIGURE 14-2 The two phases of glycolysis. For each molecule of glucose that passes through the preparatory phase (a), two molecules of glyceraldehyde 3-phosphate are formed; both pass through the payoff phase (b). Pyruvate is the end product of the second phase of glycolysis. For each glucose molecule, two ATP are consumed in the preparatory phase and four ATP are produced in the payoff phase, giving a net yield of two ATP per molecule of glucose converted to pyruvate. The numbered reaction steps are catalyzed by the enzymes listed on the right, and also correspond to the numbered headings in the text discussion. Keep in mind that each phosphoryl group, represented here as P, has two negative charges (—PO32–).

5 GLICÓLISE: REGULAÇÃO O fluxo da via glicolítica precisa se regulado em respostas às condições dentro e fora da célula. Duas demandas principais: Produção de ATP Fornecimento de blocos para biossíntese. Pontos de regulação: reações irreversíveis 3 enzimas-chaves Fosfofrutocinase Hexocinase Piruvato cinase

6 Hexocinase: Glicose + ATP Glicose 6-fosfato +ADP + H+ (G6P inibe hexocinase no músculo) Isoformas I, II (predominante miócito), e III : cinética michaeliana com Km < 0,1 mM => funcionam sempre em Vmáx. [glicose] plasm = 5 mM Músculo => consume glicose => produzir energia Inibidor II

7 Regulação por seqüestro no núcleo celular
Glicocinase (fígado) Regulação por seqüestro no núcleo celular Glicocinase não é inibida por glicose 6-fosfato e tem maior Km pela glicose (Km = 10mM). É importante no fígado para garantir que glicose não seja desperdiçada quando estiver abundante, sendo encaminhada para síntese de glicogênio e ácidos graxos. Além disso, quando a glicose está escassa, garante que tecidos como cérebro e músculo tenham prioridade no uso. Fígado => consume e produz glicose (homeostase sanguínea de glicose).

8 Glicólise no músculo Fosfofrutocinase PFK-1
AMP => regulador alostérico positivo

9 Enzima bifuncional Regulação por controle covalente: substrato para PKA

10 Piruvato cinase do tipo L (liver)
Regulação alostérica Regulação por controle covalente Características comum as tipos L e M - Frutose 1,6-bisfosfato: ativa - ATP: inibe alostericamente Alanina: produzida a partir de piruvato, inibe a PFK. Sinais de abundância de suplemento de energia A isoforma L é inativada ao ser fosforilada quando o nível de glicose no sangue cai (estímulo disparado pelo glucagon)

11 Diabetes Mellitus: comum no Brasil (prevalência 7,6 % da população brasileira entre 30 e 69 anos)
Apresentam hiperglicemia Tipo I: insulino-dependente ou juvenil. É uma doença auto-imune que provoca a destruição de células b das ilhotas do pâncreas. Tipo II: não insulino-dependente (resistente a insulina, e por secreção deficiente de insulina). 80% estão acima do peso adequado Síndrome Metabólica No diabetes o organismo comporta-se como no jejum prolongado. Um dos métodos de monitoramento da hiperglicemia é o exame que mede a Hemoglobina glicosilada (HbA1c): em diabetes essa taxa pode ser até 3 X maior.

12 Glicogênio e sua regulação
Thais Larissa Araújo O. Silva.

13 Estruturas cíclicas Em solução, carbonos com 4 ou mais carbonos formam estruturas cíclicas semelhantes ao pirano e furano:

14 Comparando celulose, amido e glicogênio

15 Estrutura do glicogênio
Hepatócito

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17 Intervalo de 5 minutos

18 Glicogênese Ao contrário da quebra do glicogênio, a síntese acontece após às refeições, quando há uma taxa aumentada de glicose sanguinea A síntese de glicogênio acontece após às refeições, quando há uma taxa aumentada de glicose sanguinea 18

19 Sintese do glicogênio: Glicogênio Sintase
FIGURE Glycogen synthesis. A glycogen chain is elongated by glycogen synthase. The enzyme transfers the glucose residue of UDP-glucose to the nonreducing end of a glycogen branch (see Figure 7-14) to make a new (α1→4) linkage.

20 Ativação da glicose UDP-glucose, the glucose donor in the biosynthesis of glycogen, is an activated form of glucose, just as ATP and acetyl CoA are activated forms of orthophosphate and acetate, respectively. The C-1 carbon atom of the glucosyl unit of UDP glucose is activated because its hydroxyl group is esterified to the diphosphate moiety of UDP. This reaction is readily reversible. However, pyrophosphate is rapidly hydrolyzed in vivo to orthophosphate by an inorganic pyrophosphatase. The essentially irreversible hydrolysis of pyrophosphate drives the synthesis of UDP-glucose. UDP-glucose is synthesized from glucose 1-phosphate and uridine triphosphate (UTP) in a reaction catalyzed by UDPglucose pyrophosphorylase. The pyrophosphate liberated in this reaction comes from the outer two phosphoryl residues of UTP.

21 Glicogenina FIGURE Glycogenin structure. (PDB 1D 1LL2) Muscle glycogenin (Mr 37,000) forms dimers in solution. Humans have a second isoform in liver, glycogenin-2. The substrate, UDP-glucose (shown as a red ball-and-stick structure), is bound to a Rossmann fold near the amino terminus and is some distance from the Tyr194 residues (turquoise)—15 Å from the Tyr in the same monomer, 12 Å from the Tyr in the dimeric partner. Each UDP-glucose is bound through its phosphates to a Mn2+ ion (green) that is essential to catalysis. Mn2+ is believed to function as an electron-pair acceptor (Lewis acid) to stabilize the leaving group, UDP. The glycosidic bond in the product has the same configuration about the C-1 of glucose as the substrate UDP-glucose, suggesting that the transfer of glucose from UDP to Tyr194 occurs in two steps. The first step is probably a nucleophilic attack by Asp162 (orange), forming a temporary intermediate with inverted configuration. A second nucleophilic attack by Tyr194 then restores the starting configuration. FIGURE 15-33a Glycogenin and the structure of the glycogen particle. (a) Glycogenin catalyzes two distinct reactions. Initial attack by the hydroxyl group of Tyr194 on C-1 of the glucosyl moiety of UDP-glucose results in a glucosylated Tyr residue. The C-1 of another UDP-glucose molecule is now attacked by the C-4 hydroxyl group of the terminal glucose, and this sequence repeats to form a nascent glycogen molecule of eight glucose residues attached by (α1→4) glycosidic linkages.

22 Enzima ramificadora Cadeia com pelo menos 11 oses 7 resíduos glicosil
Efeito biológico: glicogênio mais solúvel e aumento das extremidades não redutoras 7 resíduos glicosil A enzima ramificadora transfere um bloco de 7 oses, contendo o terminal não redutor, vindo de uma cadeia de pelo menos 11 oses. Além disso, o novo ponto de ramificação tem que estar pelo menos 4 oses de distância de um preexistente. A Glicogênio sintase continua alongando a cadeia, concomitantemente a enzima ramificadora catalisando sua reação. 4 resíduos glicosil 22

23 Glicogenólise Então, como disse anteriormente, o glicogênio é a reserva imediata de glicose em nosso organismo Em situações de exercício, intervalos entre as refeições e durante o sono, este polímero é degradado para suprir as necessidades de glicose em nosso corpo.c O glicogênio é a reserva imediata de glicose em nosso organismo. Em situações de exercício, intervalos entre as refeições e durante o sono, este polímero é degradado para suprir as necessidades de glicose em nosso corpo. 23

24 Degradação do glicogênio: glicogenólise

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26 Degradação do glicogênio: glicogenólise

27 Fosfoglicomutase Depois da quebra do glicogênio temos no citoplasma da célula livres glicose-1-fosfato (em sua maioria) e glicose. No fígado a glicose é liberada para a corrente sanguinea e no músculo esta é fosforilada pela hexoquinase e entra na via glicolítica. Já a glicose-1-fosfato é transformada em glicose-6-fosfato em ambos pela enzima fosfoglicomutase. A fosfoglicomutase possui um fosfato ligado n em um resíduo de serina em seu sítio catalítico. Este fosfato é ligado ao carbono 6 da glicose-1-fosfato, formando um intermediário chamado glicose-1,6-bisfosfato. O fosfato ligado ao carbono 1 deste intermediário é ligado à serina do sítio catalítico, regenerando a enzima e formando glicose-6-fosfato. No músculo este produto entra na via glicolítica, porém no fígado ele tem outro destino. 27

28 Enzima desramificadora
Essa reação da Glicogênio Fosforilase acontece em cadeia. Ela vai “caminhando” pela cadeia de glicogênio, quebrando as ligações e gerando glicose 1 fosfato. Logo, como disse anteriormente, esta reação só acontece nas ligações α-1,4. Então, como a ligação α-1,6 da ramificação é quebrada? Para isto existe uma enzima chamada enzima desramificadora, que possui duas funções catalíticas, a função de transferase e a função de α-1,6 glicosidase. A glicogênio fosforilase só é capaz de quebrar as ligações α-1,4 da cadeia de glicogênio até 4 glicosils antes da ligação α-1,6. Para isto entra em ação a tranferase que transfere os 3 resídos glicosils anteriores ao glicosil que forma a ligação α-1,6 para a cadeia principal do glicogênio. Para quebrar a ligação α-1,6 a (α-1,6) glicosidase realiza uma hidrólise, quebrando a ligação α-1,6 gerando glicose. A cadeia de glicogênio está linear, sem nenhum impedimento para a ação catalítica da glicogênio fosforilase. 28

29 Glicogenólise No músculo a degradação do glicogênio gera glicose-1-fosfato, esta é transformada em glicose-6-fosfato e levada a via glicolítica. No fígado a degradação do glicogênio também gera glicose-1-fosfato, esta também é transformada em glicose-6-fosfato , porém esta é defosforilada pela glicose-6-fosfatase, gerando glicose que é levada até a corrente sanguinea para manter a homeostase deste nutriente no corpo. FIGURE Hydrolysis of glucose 6-phosphate by glucose 6-phosphatase of the ER. The catalytic site of glucose 6-phosphatase faces the lumen of the ER. A glucose 6-phosphate (G6P) transporter (T1) carries the substrate from the cytosol to the lumen, and the products glucose and Pi pass to the cytosol on specific transporters (T2 and T3). Glucose leaves the cell via the GLUT2 transporter in the plasma membrane. 29

30 Intervalo de 10 minutos

31 Glicogênio – regulação
Hormônios: Insulina: sinaliza estado alimentado. Produzido nas Ilhotas de Langerhans: aglomerações de células especializadas (celulas beta). Fígado, músculos e tecido adiposo Glucagon: Produzido pelas células alfa. Sinaliza o estado de jejum. Fígado. Epinefrina: Modificação do aminoácido tirosina. Produzido pelo Sistema nervoso central e supra-renais. Liberado em momentos de estresse ou exercício.

32 Glicogenólise Adequado níveis de ATP = ATP bloqueia
proteína cinase A (PKA) Proteína cinase dependente de cAMP fosfoproteína fosfatase 1 AMP resultante da quebra de ATP quando a musculatura está sob contração vigorosa ativa alostericamente a glicogênio fosforilase FIGURE Cascade mechanism of epinephrine and glucagon action. By binding to specific surface receptors, either epinephrine acting on a myocyte (left) or glucagon acting on a hepatocyte (right) activates a GTP-binding protein Gsα (see Figure 12-4). Active Gsα triggers a rise in [cAMP], activating PKA. This sets off a cascade of phosphorylations; PKA activates phosphorylase b kinase, which then activates glycogen phosphorylase. Such cascades effect a large amplification of the initial signal; the figures in pink boxes are probably low estimates of the actual increase in number of molecules at each stage of the cascade. The resulting breakdown of glycogen provides glucose, which in the myocyte can supply ATP (via glycolysis) for muscle contraction and in the hepatocyte is released into the blood to counter the low blood glucose. Adequado níveis de ATP = ATP bloqueia local alostérico no qual AMP liga inativando fosforilase ( glicogênio fosforilase). Glicogenólise

33 No fígado a glicogênio fosoforilase atua como sensor de glicose.
Miócito não possui receptores para glucagon Glicogenólise

34 FIGURE Difference in the regulation of carbohydrate metabolism in liver and muscle. In liver, either glucagon (indicating low blood glucose) or epinephrine (signaling the need to fight or flee) has the effect of maximizing the output of glucose into the bloodstream. In muscle, epinephrine increases glycogen breakdown and glycolysis, which together provide fuel to produce the ATP needed for muscle contraction

35 G6P Sintese do glicogêno: Glicogênio Sintase
Epinefrina e glucagon promove dissociação de PP1 da partícula de glicogênio. caseina cinase II glicogênio sintase cinase 3 G6P fosfoproteína fosfatase 1 FIGURE Effects of GSK3 on glycogen synthase activity. Glycogen synthase a, the active form, has three Ser residues near its carboxyl terminus, which are phosphorylated by glycogen synthase kinase 3 (GSK3). This converts glycogen synthase to the inactive (b) form. GSK3 action requires prior phosphorylation (priming) by casein kinase (CKII). Insulin triggers activation of glycogen synthase b by blocking the activity of GSK3 (see the pathway for this action in Figure 12-16) and activating a phosphoprotein phosphatase (PP1 in muscle, another phosphatase in liver). In muscle, epinephrine activates PKA, which phosphorylates the glycogen-targeting protein GM (see Figure 15-40) on a site that causes dissociation of PP1 from glycogen. Glucose 6-phosphate favors dephosphorylation of glycogen synthase by binding to it and promoting a conformation that is a good substrate for PP1. Glucose also promotes dephosphorylation; the binding of glucose to glycogen phosphorylase a forces a conformational change that favors dephosphorylation to glycogen phosphorylase b, thus relieving its inhibition of PP1 (see Figure 15-39).

36 glicogênio sintase cinase 3
Estado bem alimentado: Glicose se liga a glicogênio sintase => favorece defosforilação. G6P se liga a glicogênio sintase => alteração conformacional => melhor substrato para PP1 caseina cinase II glicogênio sintase cinase 3 G6P FIGURE Effects of GSK3 on glycogen synthase activity. Glycogen synthase a, the active form, has three Ser residues near its carboxyl terminus, which are phosphorylated by glycogen synthase kinase 3 (GSK3). This converts glycogen synthase to the inactive (b) form. GSK3 action requires prior phosphorylation (priming) by casein kinase (CKII). Insulin triggers activation of glycogen synthase b by blocking the activity of GSK3 (see the pathway for this action in Figure 12-16) and activating a phosphoprotein phosphatase (PP1 in muscle, another phosphatase in liver). In muscle, epinephrine activates PKA, which phosphorylates the glycogen-targeting protein GM (see Figure 15-40) on a site that causes dissociation of PP1 from glycogen. Glucose 6-phosphate favors dephosphorylation of glycogen synthase by binding to it and promoting a conformation that is a good substrate for PP1. Glucose also promotes dephosphorylation; the binding of glucose to glycogen phosphorylase a forces a conformational change that favors dephosphorylation to glycogen phosphorylase b, thus relieving its inhibition of PP1 (see Figure 15-39).

37 Estado bem alimentado:
glicogênio sintase cinase 3 caseina cinase II FIGURE The path from insulin to GSK3 and glycogen synthase. Insulin binding to its receptor activates a tyrosine protein kinase in the receptor, which phosphorylates insulin receptor substrate-1 (IRS-1). The phosphotyrosine in this protein is then bound by phosphatidylinositol 3-kinase (PI-3K), which converts phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate (PIP2) in the membrane to phosphatidylinositol 3,4,5-trisphosphate (PIP3). A protein kinase (PDK-1) that is activated when bound to PIP3 activates a second protein kinase (PKB), which phosphorylates glycogen synthase kinase 3 (GSK3) in its pseudosubstrate region, inactivating it by the mechanisms shown in Figure 15-38b. The inactivation of GSK3 allows phosphoprotein phosphatase 1 (PP1) to dephosphorylate and thus activate glycogen synthase. In this way, insulin stimulates glycogen synthesis. (See Figure for more details on insulin action.)

38 GLUT 4 FIGURE Control of glycogen synthesis from blood glucose in muscle. Insulin affects three of the five steps in this pathway, but it is the effects on transport and hexokinase activity, not the change in glycogen synthase activity, that increase the flux toward glycogen. Miócitos ajudam a remover glicose do sangue = aumento da entrada de glicose, síntese de glicogênio e glicólise

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40 Regulação do metabolismo de carboidrato no fígado
FIGURE Regulation of carbohydrate metabolism in the liver. Arrows indicate causal relationships between the changes they connect. For example, an arrow from ↓A to ↑B means that a decrease in A causes an increase in B. Pink arrows connect events that result from high blood glucose; blue arrows connect events that result from low blood glucose.

41 Ciclo de Cori

42 José é um enfermeiro muito trabalhador
José é um enfermeiro muito trabalhador. De tanto trabalhar sequer teve tempo de almoçar, de forma que saiu do trabalho hoje as 15 horas sem ter feito nenhuma refeição desde o café da manhã. Pergunta-se: a) Apesar do longo período de jejum, nível de glicose no sangue de José não se alterou. Que hormônio foi importante para manter sua glicemia constante? b) Quais são as consequências da sinalização desse hormônio no fígado em relação ao metabolismo da glicose (glicólise/glicogênese)? c) Este hormônio induz a biossíntese ou degradação do glicogênio hepático? Explique a cascata de sinalização que leva a tal evento. 2) Como se não bastasse sua intensa lida diária, no dia seguinte José foi surpreendido por um assaltante no caminho de casa, porém conseguiu escapar do assalto pois usou todas as suas forças correndo desesperadamente. a- Os estoques de glicogênio da musculatura esquelética das pernas de José foram bastante usados nesse episódio. Descreva a via catabólica de degradação do glicogênio. b- Qual hormônio sinalizou a quebra de glicogênio no tecido muscular? c- Que via catabólica foi usada na degradação da glicose muscular? Para onde seu produto é transportado e em que este produto é regenerado?