Principais reações da gliconeogênese. Como as substâncias estão envolvidas na gliconeogênese? Síntese de glicose a partir de aminoácidos

16.2.1. A gliconeogênese é a biossíntese de glicose a partir de vários compostos não-carboidratos. O papel biológico da gliconeogênese é manter um nível constante de glicose no sangue, necessário para o fornecimento normal de energia aos tecidos que se caracterizam por uma necessidade contínua de carboidratos. Isto é especialmente verdadeiro para o sistema nervoso central.

O papel da gliconeogênese aumenta com a ingestão insuficiente de carboidratos dos alimentos. Assim, o corpo de uma pessoa em jejum pode sintetizar até 200 g de glicose por dia. A gliconeogênese responde mais rapidamente do que outros processos metabólicos às mudanças na dieta: a introdução de grandes quantidades de proteínas e gorduras nos alimentos ativa os processos de gliconeogênese; o excesso de carboidratos, ao contrário, inibe a formação de glicose.

A atividade física intensa é acompanhada pelo rápido esgotamento das reservas de glicose no corpo. Nesse caso, a gliconeogênese é a principal forma de repor os recursos de carboidratos, evitando o desenvolvimento de hipoglicemia. A gliconeogênese no corpo também está intimamente relacionada aos processos de neutralização da amônia e manutenção do equilíbrio ácido-base.

16.2.2. O principal local de biossíntese de glicose de novoé o fígado. A gliconeogênese também ocorre no córtex renal. É geralmente aceito que a contribuição dos rins para a gliconeogênese em condições fisiológicas é de cerca de 10% da glicose sintetizada no corpo; em condições patológicas esta proporção pode aumentar significativamente. Atividade insignificante das enzimas da gliconeogênese foi encontrada na mucosa do intestino delgado.

16.2.3. A sequência de reações da gliconeogênese representa a reversão das reações correspondentes da glicólise. Apenas três reações de glicólise são irreversíveis devido às mudanças significativas de energia que ocorrem durante elas:

a) fosforilação da glicose; b) fosforilação da frutose-6-fosfato; c) conversão de fosfoenolpiruvato em piruvato.

A superação dessas barreiras energéticas é fornecida por enzimas-chave da gliconeogênese.

A conversão reversa do piruvato em fosfoenolpiruvato requer a participação de duas enzimas. O primeiro é piruvato carboxilase - catalisa a reação de formação de oxaloacetato (Figura 16.4, reação 1). A coenzima da piruvato carboxilase é a biotina (vitamina H). A reação prossegue nas mitocôndrias. Sua função também é reabastecer o pool de oxaloacetato para o ciclo de Krebs.

Todas as reações subsequentes da gliconeogênese ocorrem em citoplasma . A membrana mitocondrial é impermeável ao oxaloacetato e é transportada para o citoplasma na forma de outros metabólitos: malato ou aspartato. No citoplasma, esses compostos se transformam novamente em oxaloacetato. Estrelando fosfoenolpiruvato carboxiquinase o fosfoenolpiruvato é formado a partir do oxaloacetato (Figura 16.4, reação 2).

O fosfoenolpiruvato, como resultado da reversão de uma série de reações da glicólise, é convertido em frutose-1,6-bifosfato. A conversão de frutose 1,6-bifosfato em frutose 6-fosfato é catalisada por frutose difosfatase (Figura 16.4, reação 3).

A frutose 6-fosfato isomeriza-se em glicose 6-fosfato. A reação final da gliconeogênese é a hidrólise da glicose-6-fosfato com a participação da enzima glicose-6-fosfatase (Figura 16.4, reação 4).

Figura 16.4. Reações de bypass da gliconeogênese .

16.2.4. As principais fontes de glicose na gliconeogênese são lactato, aminoácidos, glicerol e metabólitos do ciclo de Krebs.

Lactato- o produto final da oxidação anaeróbica da glicose. Pode ser incluído na gliconeogênese após oxidação em piruvato na reação da lactato desidrogenase (ver seção “Glicólise”, Figura 15.4, reação 11). Durante o trabalho físico prolongado, a principal fonte de lactato é o músculo esquelético, em cujas células predominam os processos anaeróbicos. A acumulação de ácido láctico nos músculos limita o seu desempenho. Isto se deve ao fato de que à medida que aumenta a concentração de ácido láctico no tecido, o nível de pH diminui (acidose láctica). Mudanças no pH levam à inibição de enzimas em vias metabólicas críticas. Um lugar importante no descarte do ácido láctico resultante pertence a Ciclo de glicose-lactato de Cori (Figura 16.5).

Figura 16.5. O ciclo de Cori e o ciclo glicose-alanina (explicações no texto).

Aminoácidos glicogênicos, que incluem a maioria dos aminoácidos proteicos. O lugar de liderança na gliconeogênese entre os aminoácidos pertence a alanina , que pode ser convertido em piruvato por transaminação. Durante o jejum, trabalho físico e outras condições, o corpo funciona ciclo glicose-alanina , semelhante ao ciclo de Cori para o lactato (Figura 16.2). A existência do ciclo alanina-glicose evita o envenenamento do corpo, uma vez que não existem enzimas nos músculos que utilizam amônia. Como resultado do treinamento, a potência deste ciclo aumenta significativamente.

Outros aminoácidos podem, como a alanina, ser convertidos em piruvato, assim como Intermediários do ciclo de Krebs (α-cetoglutarato, fumarato, succinil-CoA). Todos esses metabólitos são capazes de serem convertidos em oxaloacetato e incluídos na gliconeogênese.

Glicerol- um produto da hidrólise lipídica no tecido adiposo. Este processo é bastante aprimorado pelo jejum. No fígado, o glicerol é convertido em diidroxiacetona fosfato, um produto intermediário da glicólise e pode ser utilizado na gliconeogênese.

Ácido graxo E acetil-CoA não são precursores de glicose. A oxidação desses compostos fornece energia para o processo de síntese de glicose.

16.2.5. Equilíbrio energético. A via para a síntese de glicose a partir do piruvato (Figura 16.6) contém três reações acompanhadas pelo consumo de energia ATP ou GTP:

a) a formação de oxaloacetato a partir do piruvato (uma molécula de ATP é consumida); b) formação de fosfoenolpiruvato a partir do oxaloacetato (uma molécula de GTP é consumida); c) reversão da fosforilação do primeiro substrato - formação de 1,3-difosfoglicerato a partir do 3-fosfoglicerato (uma molécula de ATP é consumida).

Cada uma dessas reações é repetida duas vezes, pois 2 moléculas de piruvato (C3) são utilizadas para formar 1 molécula de glicose (C6). Portanto, o balanço energético para a síntese de glicose a partir do piruvato é de 6 moléculas de nucleosídeo trifosfato (4 moléculas de ATP e 2 moléculas de GTP). Ao usar outros precursores, o balanço energético da biossíntese da glicose é diferente.

Figura 16.6. Balanço energético da biossíntese de glicose a partir do lactato.

16.2.6. Regulação da gliconeogênese. A taxa de gliconeogênese é determinada pela disponibilidade de substratos - precursores de glicose. Um aumento na concentração sanguínea de qualquer um dos precursores da glicose leva à estimulação da gliconeogênese.

Alguns metabólitos são efetores alostéricos das enzimas da gliconeogênese. Por exemplo, acetil-CoA em concentrações elevadas ativa alostericamente a piruvato carboxilase, que catalisa a primeira reação da gliconeogênese. O monofosfato de adenosina, ao contrário, tem efeito inibitório sobre a frutose bifosfatase, e o excesso de glicose inibe a glicose-6-fosfatase.

O hormônio pancreático glucagon, os hormônios adrenais adrenalina e cortisol aumentam a taxa de biossíntese de glicose no corpo, aumentando a atividade de enzimas-chave da gliconeogênese ou aumentando a concentração dessas enzimas nas células. O hormônio pancreático insulina ajuda a reduzir a taxa de gliconeogênese no corpo.

A gliconeogênese é a síntese de glicose a partir de produtos não carboidratos. Tais produtos ou metabólitos são principalmente ácidos láctico e pirúvico, aminoácidos glicogênicos, glicerol e vários outros compostos. Em outras palavras, os precursores da glicose na gliconeogênese podem ser o piruvato ou qualquer composto que seja convertido durante o catabolismo em piruvato ou um dos produtos intermediários do ciclo do ácido tricarboxílico.

Nos vertebrados, a gliconeogênese ocorre mais intensamente nas células do fígado e dos rins (no córtex). A maioria das etapas da gliconeogênese envolve a reversão da reação glicolítica. Apenas 3 reações da glicólise (hexoquinase, fosfofrutoquinase e piruvato quinase) são irreversíveis, portanto outras enzimas são utilizadas no processo de gliconeogênese em 3 estágios.

A síntese do fosfoenolpiruvato é realizada em várias etapas: 1) Conversão do piruvato em oxaloacetato. O piruvato é carboxilado pela piruvato carboxilase com a participação do ATP: A piruvato carboxilase, que catalisa essa reação, é uma enzima mitocondrial alostérica. Acetil-CoA é necessário como ativador alostérico desta enzima.

O fosfoenolpiruvato, formado a partir do piruvato, é convertido em frutose 1,6-bifosfato como resultado de uma série de reações reversíveis da glicólise. Isto é seguido por uma reação de fosfofrutoquinase, que é irreversível. A gliconeogênese ignora essa reação. A conversão de frutose 1,6-bis-fosfato em frutose 6-fosfato é catalisada por uma fosfatase específica:

Regulação da gliconeogênese. Acetil-CoA desempenha o papel de um ativador alostérico da piruvato carboxilase. Na ausência de acetil-CoA, a enzima fica quase completamente inativa. Quando o acetil-CoA mitocondrial se acumula na célula, a biossíntese da glicose a partir do piruvato é aumentada. Sabe-se que a acetil-CoA é simultaneamente um modulador negativo do complexo piruvato desidrogenase. O acúmulo de acetil-CoA retarda a descarboxilação oxidativa do piruvato, o que também contribui para a ativação da gliconeogênese.

Outro ponto importante na regulação da gliconeogênese é uma reação catalisada pela frutose-1,6-bifosfatase, enzima que é inibida pelo AMP. O AMP tem o efeito oposto na fosfofrutoquinase, ou seja, para esta enzima é um ativador alostérico. Em baixas concentrações de AMP e altos níveis de ATP, a gliconeogênese é estimulada. Pelo contrário, quando a relação ATP/AMP é baixa, observa-se a quebra da glicose na célula. A gliconeogênese e a glicólise são reguladas reciprocamente, de modo que se a atividade de uma via estiver relativamente diminuída, a atividade da outra via aumentará.

A frutose-2,6-bifosfato é um metabólito formado a partir da frutose-6-fosfato e desempenha apenas funções regulatórias. A formação de frutose 2,6-bifosfato pela fosforilação da frutose 6-fosfato é catalisada por uma enzima bifuncional (BIF), que também catalisa a reação reversa. Na reação de fosforilação da frutose-6-fosfato utilizando ATP, o BIF exibe atividade quinase, e na desfosforilação da frutose-2,6-bifosfato formada, exibe atividade fosfatase. Esta circunstância determinou o nome da enzima bifuncional.

A atividade da BIF quinase ocorre quando a enzima está em sua forma desfosforilada (BIF-OH). A forma desfosforilada do BIF é característica do período em que o índice insulina/glucagon está elevado. Durante este período, a quantidade de frutose-2,6-bifosfato aumenta. Com baixo índice insulina/glucagon, característico de um período de jejum prolongado, o BIF é fosforilado e funciona como fosfatase. O resultado é uma diminuição na quantidade de frutose-2,6-bifosfato

A gliconeogênese também pode ser regulada indiretamente. A enzima glicólise piruvato quinase existe em 2 formas - L e M. A forma L (do inglês fígado - fígado) predomina em tecidos capazes de gliconeogênese. Esta forma é inibida pelo excesso de ATP e de certos aminoácidos, principalmente a alanina. A forma M (do inglês músculo - músculos) não está sujeita a tal regulação. Sob condições de fornecimento de energia suficiente à célula, a forma L da piruvato quinase é inibida. Como resultado da inibição, a glicólise desacelera e são criadas condições favoráveis ​​​​à gliconeogênese.

O lactato formado em músculos que trabalham intensamente ou em células com um método anaeróbico predominante de catabolismo da glicose entra no sangue e depois no fígado. No fígado, a relação NADH/NAD+ é menor do que no músculo em contração, de modo que a reação da lactato desidrogenase prossegue na direção oposta, ou seja, para a formação de piruvato a partir do lactato. Em seguida, o piruvato é incluído na gliconeogênese, e a glicose resultante entra no sangue e é absorvida pelos músculos esqueléticos. Essa sequência de eventos é chamada de ciclo glicose-lactato ou ciclo de Cori.

Acetil-CoA + NADH + H+ + CO2 A oxidação do piruvato a acetil-CoA ocorre com a participação de um sistema multienzimático denominado complexo piruvato desidrogenase Formado no processo de descarboxilação oxidativa" title=" Piruvato + NAD+ + HS-KoA –> Acetil -CoA + NADH + H+ + CO2 A oxidação do piruvato a acetil-CoA ocorre com a participação de um sistema multienzimático denominado complexo piruvato desidrogenase Formado durante o processo de descarboxilação oxidativa" class="link_thumb"> 22 !} Piruvato + NAD+ + HS-KoA -> Acetil-CoA + NADH + H+ + CO2 A oxidação do piruvato a acetil-CoA ocorre com a participação de um sistema multienzimático denominado complexo piruvato desidrogenase. O acetil-CoA formado durante a descarboxilação oxidativa sofre oxidação adicional com a formação de CO2 e H2O. A oxidação completa do acetil-CoA ocorre no ciclo do ácido tricarboxílico (ciclo de Krebs). Este processo, assim como a descarboxilação oxidativa do piruvato, ocorre nas mitocôndrias das células Acetil-CoA + NADH + H+ + CO2 A oxidação do piruvato a acetil-CoA ocorre com a participação de um sistema multienzimático denominado complexo piruvato desidrogenase Formado no processo de descarboxilação oxidativa "> Acetil-CoA + NADH + H+ + CO2 Oxidação do piruvato a acetil-CoA ocorre com a participação de um sistema multienzimático, denominado complexo piruvato desidrogenase. O acetil-CoA formado no processo de descarboxilação oxidativa sofre oxidação adicional com a formação de CO2 e H2O. A oxidação completa do acetil-CoA ocorre no ácido tricarboxílico ciclo (ciclo de Krebs). Este processo, assim como a descarboxilação oxidativa do piruvato , ocorre nas mitocôndrias das células"> Acetil-CoA + NADH + H+ + CO2 A oxidação do piruvato em acetil-CoA ocorre com a participação de um sistema multienzimático denominado complexo piruvato desidrogenase Formado no processo de descarboxilação oxidativa" title=" Piruvato + NAD+ + HS-CoA –> Acetil-CoA + NADH + H+ + CO2 A oxidação do piruvato a acetil-CoA ocorre com a participação de um sistema multienzimático denominado complexo piruvato desidrogenase Formado durante o processo de descarboxilação oxidativa"> title="Piruvato + NAD+ + HS-KoA –> Acetil-CoA + NADH + H+ + CO2 A oxidação do piruvato a acetil-CoA ocorre com a participação de um sistema multienzimático denominado complexo piruvato desidrogenase Formado durante o processo de descarboxilação oxidativa"> !}

E1 - piruvato desidrogenase; E2 - diidrolipolacetiltransferase; E3 - coenzimas dihidrolipoil desidrogenase: etapas do processo TPP, amida do ácido lipóico, coenzima A, FAD, NAD

O ciclo de Krebs é a via final geral para a oxidação de grupos acetil (na forma de acetil-CoA), nos quais a maioria das moléculas orgânicas que desempenham o papel de combustível celular: carboidratos, ácidos graxos e aminoácidos são convertidas durante o catabolismo. O ciclo ocorre na matriz mitocondrial e consiste em oito reações sequenciais

Como resultado da segunda reação, o ácido cítrico resultante sofre desidratação para formar ácido cis-aconítico, que, ao adicionar uma molécula de água, torna-se ácido isocítrico (isocitrato). Essas reações reversíveis de hidratação-desidratação são catalisadas pela enzima aconitato hidratase (aconitase).

A terceira reação limita a taxa do ciclo de Krebs. O ácido isocítrico é desidrogenado na presença de isocitrato desidrogenase dependente de NAD: A isocitrato desidrogenase dependente de NAD é uma enzima alostérica que requer ADP como ativador específico. Além disso, a enzima necessita de íons Mg2+ ou Mn2+ para exibir sua atividade.

Durante a quarta reação, ocorre a descarboxilação oxidativa do ácido α-cetoglutárico para formar o composto de alta energia succinil-CoA. O mecanismo desta reação é semelhante ao da descarboxilação oxidativa do piruvato em acetil-CoA. O complexo α-cetoglutarato desidrogenase é semelhante em estrutura ao complexo piruvato desidrogenase. Em ambos os casos, participam na reação 5 coenzimas: TPP, amida do ácido lipóico, HS-CoA, FAD e NAD+:

A quinta reação é catalisada pela enzima succinil-CoA sintetase. Durante esta reação, o succinil-CoA, com a participação de GTP e fosfato inorgânico, é convertido em ácido succínico (succinato). Ao mesmo tempo, a formação de uma ligação fosfato de alta energia do GTP ocorre devido à ligação tioéster de alta energia do succinil-CoA: fosforilação do substrato de ATP

Como resultado da sexta reação, o succinato é desidrogenado em ácido fumárico. A oxidação do succinato é catalisada pela succinato desidrogenase, em cuja molécula a coenzima FAD está fortemente (covalentemente) ligada à proteína. Por sua vez, a succinato desidrogenase está fortemente ligada à membrana mitocondrial interna:

A sétima reação é realizada sob a influência da enzima fumarato hidratase (fumarase). O ácido fumárico é hidratado e o produto da reação é o ácido málico (malato). Deve-se notar que a fumarato hidratase é estereoespecífica: durante a reação, o ácido L-málico é formado:

Uma molécula de NADH (3 moléculas de ATP) é produzida pela descarboxilação oxidativa do piruvato em acetil-CoA. Quando uma molécula de glicose é quebrada, 2 moléculas de piruvato são formadas, e quando elas são oxidadas em 2 moléculas de acetil-CoA e nas 2 revoluções subsequentes do ciclo do ácido tricarboxílico, 30 moléculas de ATP são sintetizadas (daí a oxidação de uma molécula de piruvato em CO2 e H2O produz 15 moléculas de ATP). A esta quantidade devem ser adicionadas 2 moléculas de ATP, formadas durante a glicólise aeróbica, e 6 moléculas de ATP, sintetizadas pela oxidação de 2 moléculas de NADH extramitocondrial, que são formadas pela oxidação de 2 moléculas de gliceraldeído-3-fosfato no reação desidrogenase da glicólise. Conseqüentemente, quando uma molécula de glicose é decomposta nos tecidos, 38 moléculas de ATP são sintetizadas. Não há dúvida de que, energeticamente, a quebra completa da glicose é um processo mais eficiente que a glicólise anaeróbica.

As moléculas extramitocondriais de NADH não são capazes de penetrar na membrana das mitocôndrias. No entanto, os elétrons que eles doam podem ser incluídos na cadeia mitocondrial de oxidação biológica usando o chamado mecanismo de transporte de glicerol fosfato. Neste caso, como resultado da oxidação completa de uma molécula de glicose, podem ser formadas 36 moléculas de ATP. com a ajuda desse mecanismo de transporte, equivalentes reduzidos do NADH citosólico são transferidos apenas nos músculos esqueléticos e no cérebro + H+ nas mitocôndrias.

Nas células do fígado, rins e coração, opera um sistema de transporte malato-aspartato mais complexo. A ação desse mecanismo de transporte é possível pela presença de malato desidrogenase e aspartato aminotransferase tanto no citosol quanto nas mitocôndrias. Se o mecanismo malato-aspartato funcionar, então, como resultado da oxidação completa de uma molécula de glicose, não 36, mas 38 moléculas de ATP podem ser formadas

A descoberta da oxidação direta dos carboidratos, ou, como é chamada, do ciclo das pentoses fosfato, pertence a O. Warburg, F. Lipman, F. Dickens e V.A. Engelhard Nos mamíferos, a atividade do ciclo das pentoses fosfato é relativamente elevada no fígado, nas glândulas supra-renais, no tecido fetal e na glândula mamária durante a lactação. A importância desta via no metabolismo é grande. Fornece NADPH reduzido, necessário para a biossíntese de ácidos graxos, colesterol, etc. Devido ao ciclo da pentose fosfato, aproximadamente 50% das necessidades de NADPH do corpo são atendidas.O NADPH resultante é usado no citosol para sínteses redutivas e não está envolvido na fosforilação oxidativa que ocorre nas mitocôndrias. O ciclo das pentoses fosfato fornece pentoses fosfatos para a síntese de ácidos nucléicos e muitas coenzimas.

O ciclo da pentose fosfato começa com a oxidação da glicose-6-fosfato e subsequente descarboxilação oxidativa do produto (como resultado, o primeiro átomo de carbono é removido da hexose fosfato). Este é o primeiro estágio, denominado oxidativo, do ciclo da pentose fosfato.

A primeira reação é a desidrogenação da glicose-6-fosfato com a participação da enzima glicose-6-fosfato desidrogenase e da coenzima NADP +. A 6-fosfoglucono-δ-lactona formada durante a reação é um composto instável e é hidrolisada em alta velocidade espontaneamente ou com a ajuda da enzima 6-fosfogluconolactonase para formar ácido 6-fosfoglucônico (6-fosfogluconato) e NADPH:

Na segunda reação, oxidativa, catalisada pela 6-fosfogluconato desidrogenase (descarboxilação), o 6-fosfogluconato é desidrogenado e descarboxilado. Como resultado, forma-se cetopentose fosforilada - D-ribulose-5-fosfato e mais 1 molécula de NADPH:

Sob a ação da epimerase apropriada, outra fosfopentose, a xilulose-5-fosfato, pode ser formada a partir da ribulose-5-fosfato. Além disso, a ribulose-5-fosfato, sob a influência de uma isomerase especial, é facilmente convertida em ribose-5-fosfato. Um estado de equilíbrio móvel é estabelecido entre estas formas de pentoses fosfatos:

Estágio (estágio) não oxidativo do ciclo das pentoses fosfato. As reações desta etapa não estão associadas ao uso de oxigênio e ocorrem em condições anaeróbicas. Nesse caso, formam-se substâncias características da primeira etapa da glicólise (frutose-6-fosfato, frutose-1,6-bifosfato, fosfotrioses) e outras específicas da via das pentoses fosfato (sedoheptulose-7-fosfato, pentose -5-fosfatos, eritrose-fosfato).4-fosfato).

As principais reações da etapa não oxidativa do ciclo das pentoses fosfato são a transcetolase e a transaldolase. Estas reações catalisam a conversão de pentoses-5-fosfatos isoméricos. A coenzima na reação da transcetolase é a TPP, que desempenha o papel de um transportador intermediário do grupo glicol-aldeído da xilulose-5-fosfato para a ribose-5-fosfato. Como resultado, são formados o monossacarídeo de sete carbonos sedoheptulose-7-fosfato e gliceraldeído-3-fosfato:

A síndrome de Wernicke-Kosakoff (uma doença neuropsiquiátrica) está associada a uma diminuição significativa (10 vezes) na capacidade da transcetolase de se ligar à coenzima TPP. Um defeito no gene da glicose-6-fosfato desidrogenase nos eritrócitos é acompanhado por anemia hemolítica. O motivo é a falta de NADPH e, consequentemente, a falta de glutationa reduzida (GSH), o que leva ao aumento da formação de espécies reativas de oxigênio e à hemólise dos glóbulos vermelhos.

Síntese de glicose a partir de ácido láctico

Durante a atividade física em músculosé produzida uma grande quantidade de ácido láctico, principalmente se a carga for intensa, na potência máxima. O ácido láctico também é formado continuamente glóbulos vermelhos, independentemente do estado do corpo. Ele entra no hepatócito com a corrente sanguínea e é convertido em piruvato. Outras reações prosseguem de acordo com o esquema clássico.

A reação total da gliconeogênese a partir do ácido láctico:

Lactato + 4ATP + 2GTP + 2H 2 O → Glicose + 4ADP + 2GDP + 6P n

Síntese de glicose a partir de aminoácidos

Vários aminoácidos são glicogênicos, ou seja, seus esqueletos de carbono são, de uma forma ou de outra, capazes de serem incluídos na glicose. A maioria dos aminoácidos são assim exceto leucina e lisina, cujos átomos de carbono nunca participam da síntese de carboidratos.

Como exemplo de síntese de glicose a partir de aminoácidos, consideremos a participação do glutamato, aspartato, serina e alanina nesse processo.

Ácido aspártico(após a reação de transaminação) e ácido glutâmico(após desaminação) são convertidos em metabólitos do ciclo do TCA, respectivamente, oxaloacetato e α-cetoglutarato.

Alanina, quando transaminado, forma ácido pirúvico, que pode carboxilar em oxaloacetato. O oxaloacetato, sendo o primeiro elemento no processo de gliconeogênese, é então incluído na síntese da glicose.

Serin em uma reação de três etapas sob a influência da serina desidratase, perde seu grupo amino e se transforma em piruvato, que entra na gliconeogênese.

Inclusão de aminoácidos na síntese de glicose

Síntese de glicose a partir de glicerol

Durante a atividade física sob a influência da adrenalina ou durante o jejum sob a influência do glucagon e do cortisol, os adipócitos sofrem ativamente quebra de triacilgliceróis(lipólise). Um dos produtos desse processo é o álcool glicerol que vai para o fígado. Aqui é fosforilado, oxidado em fosfato de diidroxiacetona e envolvido nas reações de gliconeogênese.

Gliconeogênese– síntese de glicose a partir de substâncias de natureza não carboidratada, ocorrendo principalmente no fígado, e, de forma menos intensa, no córtex renal e na mucosa intestinal.

Função da gliconeogênese– manutenção dos níveis de glicose no sangue durante jejum prolongado e atividade física intensa. Um fornecimento constante de glicose como fonte de energia é especialmente necessário para o tecido nervoso e os glóbulos vermelhos.

Substratos da gliconeogênese– PVC, ácido láctico, glicerina, aminoácidos. A sua inclusão na gliconeogênese depende do estado fisiológico do corpo.

A maioria das reações de gliconeogênese são o inverso da glicólise. Eles são catalisados ​​pelas mesmas enzimas que as reações correspondentes da glicólise.

Três reações da glicólise (hexoquinase (1), fosfofrutoquinase (3), piruvato quinase (10)) são irreversíveis e durante a gliconeogênese outras enzimas atuam nessas fases.

Síntese de glicose a partir de PVC.

1ª etapa– formação de fosfoenolpiruvato a partir do PVC.

A) carboxilação de PVK sob a influência da piruvato carboxilase com formação de oxaloacetato nas mitocôndrias:

A piruvato carboxilase é uma enzima mitocondrial cujo ativador alostérico é a acetil-CoA. A membrana mitocondrial é impermeável ao oxaloacetato, então o oxaloacetato nas mitocôndrias é convertido em malato com a participação da malato desidrogenase dependente de NAD mitocondrial:

O malato sai da mitocôndria através da membrana mitocondrial até o citosol, onde, sob a ação da malato desidrogenase citoplasmática dependente de NAD, é oxidado em oxaloacetato:

b) no citosol da célula ocorre a descarboxilação e a fosforilação do oxaloacetato com a formação do fosfoenolpiruvato; enzima – fosfoenolpiruvato carboxiquinase:

2ª etapa– conversão de frutose-1,6-bifosfato em frutose-6-fosfato.

O fosfoenolpiruvato é convertido em frutose-1,6-fosfato como resultado de reações reversíveis da glicólise. Isto é seguido pela reação irreversível da fosfofrutocinase da glicólise. A gliconeogênese ignora esta reação:

3ª etapa– formação de glicose a partir da frutose-6-fosfato.

A frutose-6-fosfato é convertida em glicose-6-fosfato, que é desfosforilada (a reação contorna a hexoquinase) sob a influência da glicose-6-fosfatase.

Gliconeogênese

A gliconeogênese é a síntese de glicose a partir de precursores não carboidratos. A gliconeogênese é necessária no cérebro, testículos, glóbulos vermelhos e medula renal, onde a glicose é a única fonte de energia. No entanto, durante o jejum, o cérebro pode obter energia a partir de corpos cetônicos, que são convertidos em acetil CoA.

Inicialmente, o piruvato, sob a influência da piruvato carboxilase e com a participação de CO2 e ATP, é carboxilado para formar oxaloacetato (OA).

A piruvato carboxilase é encontrada nas mitocôndrias. A membrana mitocondrial é impermeável ao PIKE resultante. Este último é restaurado aqui nas mitocôndrias em malato.

A reação ocorre com a participação da malato desidrogenase dependente de NAD mitocondrial. Nas mitocôndrias, a relação NADH2/NAD+ é relativamente alta e, portanto, o AP intramitocondrial é facilmente reduzido a malato, que sai facilmente da mitocôndria, passando através da membrana mitocondrial. No citoplasma, a relação NADH2/NAD+ é muito pequena, e o malato é novamente oxidado em PAA com a participação da malato desidrogenase citoplasmática dependente de NAD.

Substratos da gliconeogênese

O lactato é formado durante a glicólise anaeróbica nos glóbulos vermelhos e nas células musculares esqueléticas. A conversão de lactato em glicose ocorre como resultado do ciclo de Cori. Significado - com a participação do ciclo de Cori, os produtos finais da glicólise dos glóbulos vermelhos e dos músculos esqueléticos são transportados para o fígado e utilizados para a síntese de glicose.

Alanina é o principal aminoácido glicogênico. A conversão de alanina em glicose ocorre no ciclo da alanina. Nos músculos esqueléticos, o piruvato, formado durante a glicólise, pode ser convertido em alanina. A alanina produzida nestas reações é a forma de transporte dos grupos NH2 do músculo para o fígado, onde são finalmente incorporados às moléculas de uréia e excretados. Quando a alanina entra nos hepatócitos, ela pode ser convertida em piruvato e usada como substrato na gliconeogênese. Significado - A amônia é um composto extremamente tóxico e a maior parte dela é neutralizada nas células do fígado (no ciclo da ornitina ela é ligada a uma molécula de uréia e depois excretada). A alanina serve como forma de transporte da amônia para o fígado, onde é neutralizada.

Outros aminoácidos. Apenas dois aminoácidos (leucina e lisina) não podem ser utilizados no processo de gliconeogênese. Estes são aminoácidos estritamente cetogênicos. Todos os outros aminoácidos glicogênicos, durante seu metabolismo, produzem produtos intermediários da glicólise ou do ciclo de Krebs.

Glicerol. É formado durante o catabolismo dos triacilgliceróis nas células do tecido adiposo, entra no sangue e depois no fígado, onde, sob a ação de duas enzimas (glicerol quinase e alfa-glicerol fosfato desidrogenase), é convertido em fosfodioxiacetona (PDA), um produto intermediário da glicólise.

Propionil-CoA. A beta-oxidação de ácidos graxos com número ímpar de átomos de carbono e o metabolismo de alguns aminoácidos (valina, isoleucina, triptofano, metionina) são acompanhados pela formação de propionil-CoA, que pode ser convertido em succinil-CoA (um Krebs metabólito do ciclo) sob a ação de duas enzimas:

Propionil-CoA carboxilase (a biotina é usada como coenzima - veja vitamina H).

Metilmalonil-CoA mutase (metilcobalamina como coenzima - ver vitamina B12).

Equação resumida:

2PVK + 4ATP + 2GTP + 2NADH + 2H+ + 6H2O = glicose + 4ADP + 2GDP + 6P + 2NAD+

A síntese de uma molécula de glicose a partir de duas moléculas de piruvato requer 4ATP e 2GTP. O processo de oxidação do FA fornece energia para a gliconeogênese. As etapas de redução requerem duas moléculas de NADH.

A piruvato carboxilase, que catalisa a primeira reação, possui um ativador alostérico - acetil CoA.

Regulação da gliconeogênese

1).É reprimido após a ingestão de alimentos ricos em carboidratos (sob a influência da insulina) e induzido durante o jejum, estresse, diabetes (sob a influência de glicocorticóides).

2).O processo de oxidação do FA estimula a gliconeogênese. A estimulação é realizada aumentando o nível de acetil-CoA.

3).Relacionamento recíproco:

AcetilCoA inibe o piruvatoDH e ativa a piruvato carboxilase.

O ATP ativa a frutose difosfatase, o AMP a inibe.

A frutose 2,6-bifosfato ativa a fosfofrutoquinase-1 e inibe a frutose difosfatase-1.

Papel biológico da gliconeogênese.

1. Garantir uma concentração constante de glicose no sangue durante a fome de carboidratos.

2. Redistribuição da carga metabólica entre órgãos. O fígado participa da carga muscular.

Existe uma estreita relação entre a glicólise, que ocorre intensamente no tecido muscular durante sua atividade ativa, e a gliconeogênese, especialmente característica do tecido hepático. Com a atividade muscular máxima, como resultado do aumento da glicólise, forma-se o excesso de ácido láctico, que se difunde no sangue; no fígado, uma parte significativa dele é convertida em glicose (gliconeogênese). Essa glicose pode então ser usada como substrato energético necessário para a atividade do tecido muscular. Este ciclo no metabolismo dos carboidratos é chamado de ciclo de Cori (ciclo glicose-lactato).

Entre a glicólise, que ocorre intensamente no tecido muscular quando está ativo

7. Química das reações do ciclo do ácido tricarboxílico. Reações irreversíveis do ciclo. Fosforilação do substrato durante o ciclo. Regulação do ciclo .

O ciclo do TCA pode ser considerado como um mecanismo produzido pela célula que possui dupla finalidade. Sua principal função é ser um “caldeirão” celular perfeito no qual se realiza a oxidação completa do substrato orgânico nele envolvido e a eliminação do hidrogênio. Outra função do ciclo é fornecer à célula vários precursores para processos biossintéticos. Normalmente, o ciclo do TCA é mais uma “superestrutura” nos mecanismos de energia anaeróbica da célula. O substrato inicial do ciclo do TCA é o acetil-CoA (“ácido acético ativado”), que é formado em aeróbios a partir do piruvato em uma reação realizada pelo complexo piruvato desidrogenase:

CH3-CO-COOH + CoA-SH + NAD+ entra em

CH3-CO~S-CoA + NAD*H2 + CO2

O próprio ciclo do TCA (Fig. 92) começa com a condensação do acetil-CoA com uma molécula de ácido oxaloacético, catalisada pela citrato sintase. Os produtos da reação são ácido cítrico e coenzima A livre. O ácido cítrico é sequencialmente convertido em ácidos cis-aconítico e isocítrico pela enzima aconitase. Este último é convertido em ácido alfa-cetoglutárico em uma reação catalisada pela isocitrato desidrogenase. Na primeira etapa da reação ocorre a desidrogenação do ácido isocítrico, resultando na formação de ácido oxalosuccínico e NAD*H2. Na segunda etapa, o ácido oxalosuccínico, provavelmente ainda ligado à enzima, sofre descarboxilação. Os produtos da reação são o ácido alfa-cetoglutárico, liberado da enzima, e o CO2.

O ácido alfa-cetoglutárico sofre descarboxilação oxidativa adicional catalisada pelo complexo alfa-cetoglutarato desidrogenase, resultando na formação de succinil-CoA. Esta reação é a única reação irreversível dos dez componentes do ciclo do TCA. Um dos produtos da reação, succinil-CoA, é um composto contendo uma ligação tioéter de alta energia.

A próxima etapa é a formação do ácido succínico a partir do succinil-CoA, catalisado pela succiniltioquinase, como resultado a energia liberada quando a ligação tioéster é quebrada é armazenada na ligação fosfato do GTP. O GTP então doa seu grupo fosfato para uma molécula de ADP, resultando na formação de ATP. Consequentemente, nesta fase do ciclo do TCA, ocorre a fosforilação do substrato.

O ácido succínico é oxidado em ácido fumárico pela enzima succinato desidrogenase. A seguir, o ácido fumárico é hidratado pela fumarase, resultando em ácido málico, que sofre desidrogenação, levando à formação de PKA. A reação é catalisada pela malato desidrogenase dependente de NAD. Esta reação completa o ciclo do TCA, uma vez que a molécula aceitadora (ASA) é regenerada novamente, desencadeando a próxima revolução do ciclo. Porém, como há uma saída constante do ciclo para a biossíntese de metabólitos intermediários, levando à diminuição do nível de AP, há necessidade de sua síntese adicional. Isto é conseguido tanto nas reações de carboxilação do piruvato ou fosfoenolpiruvato (Tabela 24), quanto através de uma sequência de duas reações chamada derivação do glioxilato (Fig. 92). No primeiro deles, o ácido isocítrico, sob a ação da isocitrato liase, é dividido em ácidos succínico e glioxílico. Na segunda reação, catalisada pela malato sintetase, o ácido glioxílico é condensado com acetil-CoA para formar ácido málico, que é posteriormente convertido em PCA. Como resultado de duas novas reações, um ácido C4 é sintetizado a partir de dois resíduos C2. O shunt de glioxilato não funciona quando cultivado em substratos cuja catabolização leva à formação de ácido pirúvico. É ativado quando os organismos são cultivados em compostos C2.

O “combustível” energético processado no ciclo do TCA inclui não apenas carboidratos, mas também ácidos graxos (após degradação preliminar em acetil-CoA), bem como muitos aminoácidos (após remoção do grupo amino em reações de desaminação ou transaminação). Como resultado de uma revolução do ciclo, ocorrem 2 descarboxilações, 4 desidrogenações e 1 fosforilação. O resultado de 2 descarboxilações é a remoção de 2 átomos de carbono (2 moléculas de CO2) do ciclo, ou seja, exatamente tanto quanto veio na forma de um grupo acetil. Como resultado de 4 desidrogenações, formam-se 3 moléculas de NAD*H2 e 1 molécula de FAD*H2. Como você pode ver, no processo de transformações descritas acima, todo o hidrogênio vai para certos transportadores, e a tarefa agora é transferi-lo através de outros transportadores para o oxigênio molecular.

Como isso é representado nas eubactérias? Encontramos certas sequências de reações enzimáticas semelhantes às que ocorrem no ciclo do TCA em eubactérias em diferentes estágios de desenvolvimento evolutivo. Algumas reações do ciclo operam em condições anaeróbicas em bactérias que obtêm energia por meio de processos de fermentação.

Nas bactérias propiônicas, a sequência de reações de fermentação que levam à síntese do ácido propiônico contém reações “integradas” do ácido succínico ao ACA, semelhantes às do ciclo do TCA, mas indo na direção oposta e associadas em dois estágios com o redução de substratos de reação (Fig. 54). Na fermentação com ácido propiônico, essas reações funcionam para aceitar hidrogênio, sendo uma das opções para resolver o problema doador-aceitador em condições anaeróbicas.

Noutras eubactérias encontramos uma sequência de reacções mais completamente formada, semelhante ao ciclo do TCA, mas ainda não encerrada num ciclo completo. Na maioria das vezes, a etapa enzimática de conversão do ácido alfa-cetoglutárico em ácido succínico está ausente, e como resultado o ciclo do TCA parece estar “quebrado” (Fig. 85). Um ciclo “quebrado” do TCA é encontrado em bactérias que realizam fotossíntese livre de oxigênio, cianobactérias, quimioautotróficos e alguns quimioheterotróficos. Provavelmente, nesta forma, o ciclo do TCA não pode funcionar no sistema de mecanismos de produção de energia da célula. Neste caso, sua principal função é biossintética. O fato de um ciclo “quebrado” do TCA ser encontrado em vários grupos fisiológicos de eubactérias, amplamente separados uns dos outros, indica caminhos evolutivos complexos desse mecanismo. Esta questão requer alguma explicação.

Regulação do ciclo

O ciclo de Krebs é regulado “por um mecanismo de feedback negativo”; na presença de grande quantidade de substratos (acetil-CoA, oxaloacetato), o ciclo funciona ativamente, e quando há excesso de produtos de reação (NADH, ATP), é inibido (princípio de Guldberg-Waage). A regulação também é feita com o auxílio de hormônios, a principal fonte de acetil-CoA é a glicose, portanto os hormônios que promovem a quebra aeróbica da glicose contribuem para o funcionamento do ciclo de Krebs. Esses hormônios são: insulina e adrenalina. O glucagon estimula a síntese de glicose e inibe as reações do ciclo de Krebs.

Via de regra, o funcionamento do ciclo de Krebs não é interrompido devido a reações anapleróticas que reabastecem o ciclo com substratos: Piruvato + CO2 + ATP = Oxaloacetato (substrato do Ciclo de Krebs) + ADP + Fn.