Definição de piruvato
O piruvato é uma molécula importante que está presente na interseção de múltiplas vias bioquímicas. É comumente encontrado como um dos produtos finais da glicólise, que é transportada para as mitocôndrias para participar do ciclo do ácido cítrico. Na ausência de oxigênio, ou quando a demanda de oxigênio supera a oferta, o piruvato pode sofrer fermentação para produzir lactato. Tanto o piruvato quanto o lactato também podem ser usados para regenerar a glicose. O piruvato também pode estar envolvido na síntese anabólica de ácidos graxos e aminoácidos. Também há evidências crescentes de que ele pode influenciar diretamente a atividade nuclear e as modificações epigenéticas, formando a interface entre o genoma e o estado metabólico da célula.
Estrutura de piruvato
Esta molécula é a base conjugada de ácido pirúvico, uma molécula de três carbonos contendo um grupo de ácido carboxílico e um grupo funcional de cetona. A fórmula química para o ácido pirúvico é C3H4O3 e para sua forma desprotonada é C3H3O3. O átomo de carbono que forma o ácido carboxílico é frequentemente referido como o primeiro átomo de carbono, com o número aumentando ao longo da espinha dorsal do carbono, longe do terminal de ácido carboxílico. No piruvato, o grupo cetona é ligado ao segundo átomo de carbono, também conhecido como α-carbono, pois é mais próximo do grupo funcional principal; O terceiro carbono compreende um grupo metil.
Portanto, é o ácido α-ceto mais simples e, de acordo com a nomenclatura oficial da IUPAC, é chamado de ácido α-ceto propanóico. Ele contém três átomos que podem atuar como doadores de ligação de hidrogênio e um átomo que pode ser um aceitador de ligação de hidrogênio. Como outros ácidos ceto, o ácido pirúvico também pode ter tautomerizar -se de sua forma de cetona à sua forma de enol, contendo uma ligação dupla e um álcool. Isso é particularmente importante na última etapa da glicólise.
Outros ácidos α-ceto envolvidos na respiração celular incluem ácido oxaloacético, ácido α-ceto glutarico e ácido oxalosuccínico.
Geração de piruvato
O piruvato é gerado por dois métodos primários – através da via glicolítica e através do metabolismo dos aminoácidos. Enquanto as proteínas fornecem quase 10% das necessidades de energia do corpo, apenas alguns aminoácidos são canalizados através do piruvato para as máquinas respiratórias celulares. Aqueles que são classificados como aminoácidos glicogênicos, enquanto outros que geram acetil-CoA ou acetoacetato são classificados como aminoácidos cetogênicos. O lactato produzido pela fermentação anaeróbica também pode regenerar piruvato, especialmente através da atividade de enzimas no fígado. Outras fontes menores incluem os intermediários do ciclo do ácido cítrico.
Glicolise
A glicólise começa com o monossacarídeo de seis carbonos-glicose. Nas primeiras etapas dessa via bioquímica, a glicose passa por fosforilação e isomerização para produzir frutose-6-fosfato. Outra reação de fosforilação facilita a divisão desse açúcar hexose em duas moléculas de 3 carbonos-fosfato gliceraldeído (G3P) e fosfato de acetona de di-hidroxi (DHAP). Essas etapas iniciais requerem a entrada de energia e utilizam duas moléculas de ATP para todas as moléculas de glicose, mas resultam na maior transformação de uma hexose em duas moléculas de triose.
As imagens mostram as estruturas químicas de G3P e DHAP. Esses isômeros podem ser interconvertidos, especialmente através de catálise mediada por enzimas.
Posteriormente, o G3P é convertido em ácido pirúvico, que existe como sua base conjugada na concentração fisiológica e pH. Esse processo ocorre através de um conjunto de cinco reações bioquímicas, liberando duas moléculas de ATP e uma molécula de NADH para cada molécula de G3P.
A penúltima molécula nessa cadeia de reações é chamada de piruvato de fosfoenol (PEP). O PEP é o éster fosforilado do piruvato em sua forma isomérica enol. A PEP perde um grupo fosfato para gerar piruvato e a porção fosfato liberada é transferida para o ADP, formando ATP. Esta reação é catalisada por uma enzima chamada piruvato quinase (PK). A reação forma uma das etapas limitantes da taxa de glicólise que podem determinar a taxa de reação geral, uma vez que é uma das reações mais lentas na cadeia. Para todos os propósitos práticos, é irreversível, diferentemente da maioria das reações catalisadas por enzimas, especialmente porque o piruvato é frequentemente movido rapidamente para as mitocôndrias ou fermentado para formar lactato. Quando a glicose precisa ser gerada a partir de fontes não carboidratas (gliconeogênese), por exemplo, a alteração das concentrações de reagentes e produtos não induz PK a catalisar a reação reversa, formando a PEP do piruvato. De fato, durante a gliconeogênese, a PK é desativada através da fosforilação e a PEP é desviada para uma cascata diferente de reações.
Metabolismo de aminoácidos
Seis principais aminoácidos podem ser metabolizados para produzir piruvato – alanina, cisteína, serina, glicina, treonina e triptofano. Destes, alanina e serina têm três átomos de carbono e, portanto, são os mais fáceis de se transformar. Essas reações envolvem uma única enzima que catalisa essencialmente a substituição do grupo funcional de amina por uma cetona. As enzimas também são chamadas de transaminases por esse motivo. A cisteína, embora também contenha três átomos de carbono, deve passar por uma etapa adicional para remover o átomo de enxofre.
A glicina, por outro lado, possui apenas dois átomos de carbono. Portanto, é primeiro convertido em um aminoácido de três carbonos-serina-antes de passar por desaminação. A ação da enzima serina desidratase catalisa sua conversão em piruvato. Em uma estratégia semelhante, três grupos alquil de triptofano são convertidos pela primeira vez em alanina antes de serem transformados em uma molécula de piruvato através da ação da enzima transaminase da alanina. Treonina segue um caminho ainda mais longo, primeiro sendo convertido em glicina e depois para serina antes de ser atuado pela serina desidratase.
Funções de piruvato
A função primária da molécula é atuar como a molécula de transporte que transporta átomos de carbono nas mitocôndrias para a oxidação completa ao dióxido de carbono. No final da glicólise no citoplasma, as moléculas de piruvato geradas a partir de glicose são transportadas para a matriz das mitocôndrias através de duas proteínas: portadores de piruvato mitocondrial 1 e 2 (MPC1, MPC2). Dentro da matriz das mitocôndrias, um importante complexo multi-enzima chamado complexo de piruvato desidrogenase (PDC) catalisa as reações de descarboxilação e oxidação para gerar acetil coenzima A (acetil-CoA).
A primeira enzima nesse complexo é chamada piruvato desidrogenase e remove o grupo de ácido carboxílico (descarboxilatos) da molécula. O resultado dessa reação deixa uma molécula de dois carbonos contendo um grupo metil e um grupo carbonil. A segunda e a terceira enzimas do PDC oxidam o carbono carbonil e catalisam uma ligação covalente para o COA através de uma ligação do tioester. Essa ligação do tioester pode ser hidrolisada com a liberação de energia. De fato, a hidrólise dessa ligação libera mais energia do que a conversão de ATP em ADP e, portanto, também fornece o impulso inicial para as primeiras etapas do ciclo do ácido cítrico.
Recentemente, foi atraída atenção ao papel das moléculas de piruvato na influência da acetilação em todo o genoma de moléculas de histonas. A acetilação da histona é uma modificação epigenética que pode alterar a atividade transcricional geral da célula, além de influenciar o ciclo celular e a mitose. Essa modificação de histonas requer a presença de acetil-CoA. O acetil-CoA também é gerado através do PDC no núcleo, através do transporte de todo o complexo enzimático das mitocôndrias para o núcleo. A concentração desse complexo no núcleo depende do ciclo celular, do ambiente externo e da disponibilidade de fatores de crescimento e nutrientes. Na ausência de atividade suficiente do PDC, a transição da célula para a mitose (especificamente, a síntese do DNA durante a fase S) é dificultada.
Outra enzima associada ao metabolismo do piruvato que também está presente no núcleo é a piruvato quinase – a enzima envolvida na última reação da glicólise, gerando piruvato a partir de PEP. Esta quinase desempenha um papel interessante no núcleo, fosforilando as proteínas nucleares usando a própria PEP como doador de fosfato. Isso, por sua vez, leva à geração de piruvato, que pode ser usada pelo PDC para criar acetil-CoA. A fosforilação dos principais resíduos nas histonas também aumenta sua acetilação, novamente uma etapa crucial na progressão da célula da fase G1 para S do ciclo celular.
Se a respiração aeróbica não for possível, o piruvato pode ser fermentado para lactar no citoplasma para gerar NADH e, assim, aumentar a disponibilidade de ATP para a célula. A enzima envolvida na fermentação do piruvato também pode catalisar a reação reversa, formando piruvato de lactato. Isso é particularmente importante nas células do fígado, onde este é um processo essencial durante o período de recuperação após o exercício.
Além disso, o piruvato funciona como um dos pontos de partida para a gluconeogênese, permitindo que a célula gere glicose a partir de fontes não carboidratas. Esse processo é importante para o funcionamento do cérebro durante o jejum, uma vez que os tecidos do cérebro usam a glicose como fonte de energia primária. O piruvato também está implicado na geração de aminoácidos não essenciais, bem como em muitas vias bioquímicas envolvendo metabolismo lipídico.
Termos de biologia relacionados
- Hexose – monossacarídeo que contém seis átomos de carbono, como glicose ou frutose.
- Quinase – Uma enzima que catalisa a transferência de um grupo fosfato (geralmente de ATP) para outra molécula.
- Reações limitantes da taxa – as etapas mais lentas nas vias metabólicas que determinam a taxa de todas as outras reações na via.
- Tautômero – isômeros que existem juntos em equilíbrio, com a migração de um átomo ou grupo funcional na molécula que ocorre com frequência.
- Trioso – monossacarídeo que contém três átomos de carbono, como gliceraldeído.
Questionário
1. Qual desses aminoácidos precisa de mais de uma enzima para ser convertida em piruvato? A. Glycine B. Alanine C. Serine D. Todas as opções acima
Resposta à pergunta nº 1
A está correto. Serina e alanina têm três átomos de carbono e a ação de uma única enzima é normalmente suficiente para gerar piruvato a partir desses dois aminoácidos. A glicina, por outro lado, possui apenas dois átomos de carbono. Ele precisa ser convertido em um aminoácido contendo três átomos de carbono antes de ser desaminado.
2. Por que a conversão de PEP em piruvato é uma das etapas limitantes da taxa na glicólise? A. gera a molécula mais importante da glicólise B. É uma das reações mais lentas na via C. A enzima, a piruvato quinase, está presente em baixa concentração D. É uma reação irreversível
Resposta à pergunta nº 2
B está correto. A etapa de limitação de taxa em qualquer caminho é a reação mais lenta. Em várias situações que envolvem o fluxo de materiais, se os fluidos se movem ao longo dos tubos ou o movimento do tráfego de veículos, o gargalo determina a velocidade geral dos materiais. As reações mais rápidas podem ser concluídas de forma independente, mas quando uma reação mais lenta é necessária para processar os reagentes ou produtos, toda a via atinge o equilíbrio à taxa da reação mais lenta. Na glicólise, a catálise de PEP para piruvato é uma reação relativamente lenta e isso permite que a formação de piruvato seja regulada através da enzima piruvato quinase. A concentração da própria enzima não é importante, uma vez que uma quantidade minúscula de enzima pode processar um grande número de reagentes. A irreversibilidade dessa reação também não desempenha um papel na determinação de sua cinética.
3. Qual destes é uma função do piruvato? A. Fermentação ao lactato durante a respiração aeróbica B. Modificações epigenéticas do genoma mitocondrial C. Participação na geração de glicose D. todas as opções acima
Resposta à pergunta nº 3
C está correto. Embora o piruvato seja mais comumente identificado como o produto final da glicólise, ou a parte citosólica da respiração celular, também é um jogador importante em várias outras vias, incluindo a gluconeogênese. Sua oxidação ao lactato é uma de suas funções, no entanto, essa rota é preferida quando há escassez de oxigênio. Durante a respiração aeróbica completa, o piruvato é convertido em acetil-CoA em vez de lactato. Da mesma forma, enquanto o piruvato parece desempenhar um papel importante na modificação epigenética dos genomas, até agora foi implicada mais na regulação da transcrição nuclear. Não houve evidências para sugerir que o piruvato altera o genoma mitocondrial.
Última atualização em 19 de agosto de 2022