Regulação do metabolismo oxidativo e equilíbrio energético

Departamento de Biomedicina da Faculdade de Medicina do Porto

Regulação do

metabolismo

oxidativo e

equilíbrio energético

ruifonte@med.up.pt

2

Semelhanças

Usam a oxidação de compostos orgânicos como fonte de energia.

A velocidade de oxidação dos compostos orgânicos aumenta com o

exercício.

Diferenças óbvias

Os seres vivos não têm chave de ignição: continuam “a gastar

gasolina” (a oxidar nutrientes) mesmo quando estão parados.

Os automóveis não procuram ativamente os postos de combustível

nem engordam quando se põe gasolina a mais no depósito.

Os mamíferos tem pelo menos 2 (ou 3) depósitos de combustível:

glicídeos e triacilgliceróis (e proteínas).

1

2

3

4

3

À despesa energética de um indivíduo (1) em repouso físico e

mental, (2) em jejum há 10-18 h (3) e num ambiente com

temperatura agradável chama-se

taxa de metabolismo basal

(BMR = basal metabolic rate)

.

Como medi-la?

70 kg

O

₂

consumido

≈

15 moles

/ dia

(336 L)

Calor

libertado

≈

1600 kcal/dia

O calor que

aumenta de

1ºC,

1600 kg de

água;

⇔ 6,69 MJoules/dia ⇔ 1,86 kWh/dia

Porque é que, ao contrário do automóvel, o ser vivo continua a

libertar calor e a consumir O

₂

quando está parado?

4

Mesmo em repouso, os órgãos continuam ativos ocorrendo

processos cíclicos cujo somatório é a hidrólise de ATP.

Alguns exemplos:

1) Transporte iónico passivo via canais iónico e transporte ativo via ATPases de membrana…

2) Contração e relaxamento muscular no diafragma e coração via ação da ATPase de miosina…

3) Síntese e hidrólise de ácidos nucleicos (RNA e

5

6) Ciclos de substrato no sentido estrito

7) Ciclos de substrato em sentido mais amplo como o

que envolve os processos de hidrólise de triacilgliceróis e re-esterificação

5) Ciclos de Cori e da alanina

6

Em condições de BMR, o grosso dos ATPs é consumido no

transporte iónico (

≈

30 %) e síntese proteica (

≈

30 %). Uma

percentagem menor (

≈

5 %) é consumida pela ATPase da

miosina.

ADP

+ Pi transporte ativo síntese proteica trabalho mecânico Na+ Ca2+ outros

Estima-se que

nas condições

BMR um

indivíduo adulto

de 70 kg

hidrólise cerca

de 40

mmoles/min (60

moles/dia).

40 mmol ATP / min

Na ausência de mecanismos que fosforilem o ADP

formado, todo o ATP do indivíduo (

≈

120 mmoles) se

esgotaria em 3 min.

⇒

30% 30%

7

Cada ATP hidrolisado é imediatamente reposto: a concentração

de ATP é “estacionária” porque

vel. de síntese = vel. de hidrólise

.

nutrientes

O

₂

ADP

₊ Pi

CO

₂

+ H

₂

O

40 mmol ATP / min ≈ 8 mmol O₂ consumido na cadeia respiratória /min (180 mL/min). Na+ Ca2+

A “reposição” do ATP (fosforilação do ADP) depende, em última análise, da oxidação dos nutrientes pelo O₂.

Admitindo que se formam cerca de 2,5 ATPs / átomo de oxigénio consumido

(razão P:O = 2,5

⇔

razão P:O

₂

= 5)

8 nutrientes

O

₂

ADP

₊ Pi CO₂ + H₂O Na+ Ca2+ 40 mmol ATP / min ≈ 8 mmol O₂ consumido na cadeia respiratória / min

A oxidação dos nutrientes é um processo exotérmico;

para além de CO

₂

e H

₂

O gera um “terceiro produto”:

calor

.

A BMR pode ser estimada medindo o O₂ consumido ou o calor libertado porque existe proporcionalidade (quase perfeita) entre o O₂ consumido e o calor libertado.

0,85

kcal/min

Nas reações de oxidação dos nutrientes libertam-se cerca de 106

kcal / mole de O

₂

consumido (= 19,8 kJ/L).

9

O calor libertado num sistema onde ocorrem reações =

diferença entre as entalpias dos produtos e reagentes.

Entalpia

de A

A + B

→

C + D

Entalpia

de B

Entalpia de C Entalpia de D

→

∆

H = calor libertado

Nos casos dos glicídeos e lipídeos,

o calor libertado na sua oxidação é igual

nos seres vivos e

no

calorímetro…

…mas no caso das proteínas (e aminoácidos) os produtos da oxidação nos seres vivos não coincidem com os produtos formados num calorímetro…

6 O₂ 23 O2 glicose palmitato 6 CO₂ + 6 H₂O + 669 kcal 16 CO₂ + 16 H₂O + 2413 kcal + 793 kcal + 76 kcal + 869 kcal

10

nutrientes

O

₂

CO₂ + H₂O

Poderá parecer estranho que,

sendo o metabolismo tão complexo,

quando se fala no calor libertado

pelo ser vivo apenas se refiram as

reações de oxidação dos

nutrientes mas...

... num ser vivo adulto as

concentrações (e a quantidade

total) dos intermediários,

coenzimas, ATP, ADP, Pi, etc. são estacionárias (quase não variam) e, consequentemente,

não há consumo nem formação efetiva destes

intermediários.

O calor libertado =

∆

H das reações onde ocorreu

11

Exemplificando para o caso da oxidação da glicose.

glicose + 6 O₂ + 32 ADP + 32 Pi →→→→ 6 CO₂+ 6 H₂O + 32 ATP + 32 H₂O + 509 kcal

O processo de oxidação da glicose está acoplado à síntese de ATP e

poderia pensar-se que a equação a escrever quando se pensa num

organismo vivo inteiro deveria ser:

Mas só sintetizamos uma molécula de ATP quando uma se hidrolisa...

32 ATP + 32 H₂O →→→→ 32 ADP + 32 Pi + 160 kcal

glicose + 6 O₂ →→→→ 6 CO₂ + 6 H₂O + 669 kcal

... e o somatório das duas últimas equações é:

12

O₂ e calor estritamente acoplados com

síntese/hidrólise de ATP: 8 mmol de O₂ / min x 1440 min = 11,5 moles de O₂ / dia 0,85 kcal / min x 1440 min = 1224 kcal / dia

O₂ e calor ⇔

(1) desacoplagem fisiológica

entre oxidação e fosforilação

+ (2) oxigénases e oxídases

BMR

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1

kcal/dia

15 mol de

O

₂

/ dia

Uma parte (talvez 25 %) do calor libertado e do oxigénio consumido em condições de medida da BMR não estão diretamente relacionados com

síntese de ATP.

(1) Nas mitocôndrias das células, não existe acoplagem perfeita entre

oxidação de nutrientes e síntese de ATP (ou seja, a razão P:O₂

<

5, sempre).

(2) Existem enzimas em cuja ação se consome O₂ e se liberta calor (várias oxigénases e oxídases) e que não são a oxídase do citocromo c (complexo IV).

nutrientes

O

₂

ADP

₊ Pi CO₂ + H₂O Na+ Ca2+ 40 mmol ATP / min

10,4 mmol

de O

₂

/min

(> 8 mmol)

1,1

kcal/min

(> 0,85

kcal/min

)

Ao incluirmos o gasto de energia não diretamente relacionado com o gasto de ATP, o calor libertado passa a ser de 1,1 kcal/min em vez de 0,85 kcal/min.

(1) Pensa-se que 20% a 25% da BMR se deve a desacoplagem

fisiológica entre fosforilação e oxidação nas mitocôndrias=

uma parte do O₂ reduzido a H₂O pelo complexo IV na mitocôndria não está diretamente relacionado com síntese de ATP.

14

I

Q

III

cyt c

IV

1 NADH NAD+

4 H

+

O

_H

2

O

V

Simp. Pi

10 H

+

2,5 ADP

+ 2,5 Pi

2,5 ATP

Proteínas

desacopladoras

n H

+

Leak (pingar)

+ n/10 NADH + n/10 NAD+ n/10 O

Quando n protões entram na mitocôndria através de um transportador que não é a síntase de ATP (leak), a manutenção do gradiente electroquímico da

membrana exige que n protões sejam bombeados para fora da mitocôndria. O bombeamento destes n protões não se traduzem em síntese de ATP mas este bombeamento está dependente da oxidação dos nutrientes (e da redução do O₂); por cada n protões bombeados n/10 NADH são oxidados.

Atualmente admite-se que uma das proteínas responsáveis pelo leak de H+ _{é o} trocador ADP/ATP da membrana mitocondrial interna [Brand et al. (2005) Biochem J 392:353]. Outra parte do leak de H+ _{poderá corresponder a atividades basais de várias UCPs} (“uncoupling proteins”).

H₂O CO₂ H₂O

O

₂ Fenilalanina Tetrahidro-biopterina Dihidro-biopterina Tirosina α-cetoglutarato glutamato p-hidroxifenil-piruvato homogentisato maleiloacetoacetato fumarilacetoacetato fumarato acetoacetato

O

₂

O

₂ Etanol H₂O

O

₂ NADPH NADP+ acetaldeído Acetil-CoA NADPH NADP+ Glicose-6-P 6-fosfo-gliconolactona Ribulose-5-P NADPH NADP+ NADPH +

CO

₂ NADP+

(2) Uma parte (embora menor) do O₂ gasto em condições de BMR não é sequer consumido na ação catalítica do complexo IV.

As oxigénases (envolvidas, por exemplo, na oxidação de aminoácidos) e

as oxídases de função mista (como a hidroxílase da fenilalanina e as enzimas da família dos citocromos P450)

também consomem O₂ e, indiretamente (via consumo de NADPH), estimulam a via das pentoses-fosfato e a produção de CO₂.

Todos estes processos embora não diretamente relacionados com a síntese de ATP são exotérmicos.

16

…mas a relação é

mais linear

quando se

relaciona a BMR

com a massa

magra.

*

CGL1= lipodistrofia congénita generalizada (deficit

marcado de tecido adiposo por alteração na esterificação)

A taxa de

metabolismo basal

(BMR) é, em geral,

tanto maior quanto

mais pesado é o

indivíduo

Toleban e col. Metab. (2008) 57:1155

*

Massa magra =

massa corporal

-tecido adiposo

Quando um indivíduo

engorda

aumenta a sua massa de triacilgliceróis

mas também

↑

a quantidade de tecido metabolicamente ativo

(

↑citoplasma dos adipócitos, vasos sanguíneos do tecido adiposo, músculo, fígado, rins, coração

=

↑

“

massa isenta de gordura

”

)

⇒

↑

BMR

[Prentice et al. 1986, Br Med J 192: 983-87]

Reciprocamente, quando se

emagrece

perde-se gordura,

mas também

↓

a “massa isenta de gordura”

⇒

↓

BMR.

A secreção normal de hormonas tiroideias e o tono simpático basal contribuem para a BMR porque:

Contudo, quando se emagrece, a diminuição na BMR

é maior que a que seria de esperar

tendo em conta a diminuição de massa isenta de gordura.

SNSimpático ↑↑↑↑ o leak de H

+ _{nas mitocôndrias}

do tecido adiposo castanho (estimulação de UCP1)

↑↑↑↑ vel. dos ciclos de substrato ⇒ gasto de ATP

Exemplos: ↑ turnover proteico e ↑ “turnover iónico”

⇒

⇒

↓ a secreção de hormonas tiroideias ↓_{no tecido adiposo castanho}o tono simpático

↓ Processos de turnover ↓ leak de H+

↓

despesa energética

Quando se emagrece:

⇒

⇒

⇒

Sensibilidade do tecido adiposo castanho à noradrenalina ↑

↑↑↑↑ o leak de H+ _{nas mitocôndrias}

Em muitas doenças há

↑

BMR

e podem estar envolvidos mecanismos relacionados com gasto ↑ de ATP

ou não relacionados directamente com este gasto

% de aumento relativamente a não doente

Hipertiroidismo (aumento das hormonas tiroideias) + 60 a 100 %

Traumatismo com fracturas múltiplas + 10 a 25 %

Grandes queimados + 25 a 60 %

Doenças febris (aumento para 39ºC) + 10 a 25 %

No caso do hipertiroidismo a causa do aumento da BMR é

↑ turnover proteico e iónico (e outros “ciclos de substrato”)

e ↑ leak de H+

Noutras doenças em que há ↑ da BMR

(nomeadamente nos traumatismos, nos queimados e doenças infeciosas agudas) há (1) ↑ do tono simpático que provoca ↑ leak de H+

↑

↑

↑

↑

↑

(2) ↑ da síntese (2.1) de proteínas de fase aguda no fígado e/ou (2.2) de proteínas nos processos de cicatrização

(3) ↑ do trabalho cardíaco e dos músculos respiratórios

20

Que acontece à despesa energética quando um indivíduo

aumenta a sua atividade física?

O

₂

consumido

>> 15 moles / dia

(>> 330 L)

Calor

libertado

>> 1600

kcal/dia

No exercício físico a despesa energética aumenta e nos indivíduos que não são

atletas, em máximo esforço, essa despesa pode ser

≈

10 × BMR.

A despesa energética tem assim um 2º componente:

despesa energética = BMR

21

nutrientes

O

₂

ADP

₊

Pi

CO

₂

+ H

₂

O

40 mmol ATP / min ≈ 8 mmol O₂ consumido na cadeia respiratória / min Na+ Ca2+

O esforço físico provoca aumento das atividades da ATPase

da miosina e das ATPases do Ca

2+

_{e do Na}

+

_/K

+

_.

400 mmol

ATP / min

ATP

A concentração de ATP desceria, a de ADP e Pi aumentaria e os

processos dependentes de ATP deixariam de ocorrer.

Que aconteceria se a despesa energética não aumentasse

quando um indivíduo aumenta a sua atividade física?

22

Chance e Williams (1955) JBC 217:383

Um automóvel aumenta de velocidade quando aumentamos a velocidade com que a gasolina é injetada no motor.

E nos seres vivos como é que é

regulada a velocidade de oxidação dos nutrientes?

A 1ª resposta veio de estudos com

mitocôndrias isoladas ainda antes de o

modelo de Mitchell ter sido proposto

Adaptando a proposta do ADP como acelerador (Chance e

Williams, 1955) à teoria de Mitchell…

I

II-FAD

III

IV

dG3P-FAD

Q

cyt c

NADH

_NAD

+

H

+

H

+

H

+

O

_H

2

O

V

Simp. Pi

H

+

↑

ADP

ATP ↓

⇒

↑

_{desidrogénases}

ADP ↑ e ATP ↓ ⇒ ↑ síntase do ATP ⇒

↓ gradiente eletroquímico da membrana mitocondrial ⇒

↑ cadeia respiratória ⇒ ↓ [NADH] e ↑ [NAD+_{] ⇒} ↑ desidrogénases do piruvato, do ciclo de Krebs, e da oxidação em β

⇒

↑

24

Outras observações feitas

in vitro

também apontam

para a importância das

variações de concentração

de ADP, AMP, ATP, NAD

+

e

NADH.

Glicose acetil-CoA Piruvato NAD+ NADH NAD+ NADH NAD+ NADH Frutose-6-P Frutose-1,6-BisP Desidrogénase do isocitrato Desidrogénase do piruvato Desidrogénase do α -cetoglutarato Cínase da frutose-6-P ADP e AMP ATP ADP e NAD+ ATP e NADH ADP e NAD+ ATP e NADH ADP e NAD+ ATP e NADH Fosforílase do glicogénio AMP Glicogénio

25 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0 2 4 6 8 10 mM nos músculos esqueléticos

tempo de exercício físico a 90% de VO2 max (min)

ADP (mM) ADP (mM) AMP (mM) 0 0,0005 0,001 0,0015 0,002 0 2 4 6 8 10 mM nos músculos esqueléticos

tempo de exercício físico a 90% de VO2 max (min) AMP (mM)

AMP (mM)

Baseado em Spriet e col.

(2000) Med Sci Sports Exerc; 32: 756

Em exercícios aeróbicos a 90% do máximo de consumo de O₂, a variação da concentração de ATP nos músculos esqueléticos em contração é quase

impercetível, a de ADP pode aumentar

4

vezes e a de AMP

20

vezes

.

No entanto, neste mesmo tipo de exercícios a velocidade de

hidrólise (e síntese) de ATP nas fibras musculares que se estão a contrair pode ser

100 vezes

superior à basal

.

Concentrações em repouso: [ATP] = 5 mM

[ADP] = 0,02 mM [AMP] = 0,0001 mM

A ativação da glicólise pode ser, pelo menos parcialmente, causada pela estimulação da cínase 1 da frutose-6-fosfato pelo AMP (e inibição da

frutose-1,6-bisfosfátase). Glicose-6-P Frutose-6-P Frutose-1,6-BisP Piruvato v_a-v_b=1 ATP ADP H₂O Pi

v

_a

=40

v_b=39 v_a-v_b=1 [AMP]↓ Glicose-6-P Frutose-6-P Frutose-1,6-BisP Piruvato v_a-v_b=1000 ATP AD P H₂O Pi v_b=20 v_a-v_b=1000 [AMP]↑↑↑↑ va=1020 A contração muscular provoca [ADP] ↑↑↑↑(≈≈≈≈4 x) e [AMP] ↑↑↑↑ (≈≈≈≈20 x). O AMP é ativador da cínase-1 da frutose-6-P e inibidor da frutose-1,6-bisfosfátase.

Um aumento de 25,5 vezes (1020/40) em v_ae a diminuição simultânea para cerca de metade (20/39) em v_b explicaria um aumento de 1000 vezes na velocidade da glicólise. 26

STOP ₊

As atividades simultâneas da cínase-1 da frutose-6-fosfato (v_a) e da

frutose-1,6-bisfosfátase (v_b) constituiem um ciclo de substrato. A velocidade líquida no processo glicolítico é a diferença entre as velocidades das reações catalisadas (v_a-v_b).

27

Em qualquer caso, as variações nas concentrações são sempre demasiado modestas para poderem, por si só, explicar

completamente as variações de velocidade no consumo de oxigénio e nutrientes quando a velocidade de hidrólise (e síntese) de ATP aumenta

durante o esforço muscular.

NAD

+

NADH

nutrientes

CO

₂

_O

₂

H

₂

O

H

+ (dentro)

H

+ (fora)

ADP+Pi

ATP

ATPases síntase do ATP cadeia respiratória desidrogénases

vel.1 = vel.2 = vel.3 = vel.4

Ca

2+

Adaptado de

Korzeniewski (2006) Am

J Physiol Heart Circ Physiol 291: 1466

No caso do coração, a hidrólise (e síntese) de ATP pode aumentar 4 vezes, mas as variações nas concentrações intracelulares de ADP, AMP, Pi, ATP, NAD+ _{e NADH}

são nulas

_.

28

Quando um músculo é estimulado por um nervo motor ocorre

despolarização que induz uma cadeia de fenómenos...

Com origem no meio extracelular ou no retículo sarcoplasmático

o Ca

2+

move-se para

o citoplasma.

[Ca

2+

]

citoplasmático

↑

100 vezes (0,1

µ

M

→

10

µ

M)

↑

[Ca

2+

]

na matriz da

mitocôndria

29

Que efeitos provoca o Ca

2+

_{nas enzimas relacionadas com a}

oxidação dos nutrientes e com a hidrólise do ATP?

NAD

+

NADH

nutrientes

CO

₂

O

₂

H

₂

O

H

+ _(dentro)

H

+ _(fora)

_ADP+Pi

ATP

Síntase do ATP Cadeia respiratória Fosforólise e desidrogénase

Ca

2+

citoplasmático

ATPases ↑ ATPase da miosina ↑ ATPase do Ca2+ ↑ Síntase do ATP ↑ Complexos I e IV da cadeia respiratória ↑ desidrogénase do glicerol-3-P (membranar) ↑ desidrogénases do piruvato do isocitrato do α-cetoglutarato

Ca

2+

mitocondrial

↑ cínase da fosforílase do glicogénio

Quando se mede a BMR a temperatura ambiente tem de ser agradável. Que acontece se estiver frio?

A despesa energética tem um 3º componente:

despesa energética associada à adaptação ao

frio

.

Trémulo =

↑

[Ca

2+

_]

_citoplasma que estimula

processos de

hidrólise de ATP. Estimulação do

SNSimpático (SNS) – adrenalina e noradrenalina Estimulação do sistema hipotálamo – hipofisário -tiroide

⇒

↑ hormonas tiroideias Desacoplagem (uncoupling) entre fosforilação e oxidação mitocondrial no tecido

adiposo castanho (UCP1).

Ativação de processos de

turnover iónico (Na+_{, K}+_,

Ca2+_{) na membrana} citoplasmática e RE dos músculos, e de turnover proteico… ⇒ aumento da velocidade de hidrólise do ATP.

↑

do consumo de O

₂

e de nutrientes e

↑

da produção de calor.

⇒

↑

⇒

↑

⇒ ↑

31

I

Q

III

cyt c

IV

1 NADH NAD+

4 H

+

O

_H

2

O

V

Simp. Pi

10 H

+

2,5 ADP

+ 2,5 Pi

2,5 ATP

Quando se sente frio, as hormonas tiroideias estimulam o SNSimpático que estimula a UCP1

⇒ _{aumenta a velocidade de oxidação do NADH e dos nutrientes}

⇒ _{aumenta o consumo de oxigénio e produção de calor (no caso do bebé pode ser para o dobro).}

O bebé humano e a maioria dos adultos têm

tecido adiposo castanho, onde existe termogenina

(UCP1; uncoupling protein 1) cuja atividade é

estimulada pelo Sistema Nervoso Simpático.

A UCP1 (Uncoupling Protein 1) é uma proteína da membrana da mitocôndria que, como a síntase do ATP, deixa passar H+ a favor do gradiente, mas não sintetiza ATP.

A passagem dos H+ _{diminui o gradiente eletroquímico “facilitando a tarefa” (estimulando)}

dos complexos I, III e IV… e em última análise a oxidação dos nutrientes.

UCP1

n H

+

Leak

+ n/10 NADH + n/10 NAD+

SNSimp.

n/10 O

(2 H

+

₊

_{4 H}

+

₎

Quando se mede a BMR o indivíduo deve estar em

jejum há 10-18 h.

Que acontece se tiver acabado de comer?

A ingestão de alimentos provoca

↑

no consumo de O

₂

(e na produção de calor).

A despesa energética tem assim um 4º componente:

efeito termogénico dos nutrientes

(ou ação dinâmica específica = denominação que já entrou em desuso).

Aumento do gasto de ATP

nos processos de armazenamento de glicose (síntese de glicogénio)

e gorduras (síntese de triacilgliceróis) e

↑ da síntese proteica.

Estimulação do SNSimpático com

aumento do leak de H

+ Causas mal conhecidas mas possivelmente associadas a...

Aumento da atividade de

oxigénases e

oxídases

envolvidas na oxidação de AAs...

⇒

↑

33

Quando se estuda o

equilíbrio energético

, uma boa analogia para o ser vivo é uma lareira em que o calor produzido e o O₂ consumido correspondem à despesa energética.

Tal como numa lareira o calor libertado é a diferença entre

as entalpias dos reagentes (compostos

orgânicos que se oxidam e oxigénio que se reduz)

e as entalpias dos produtos (CO₂ + H₂O + compostos orgânicos incompletamente oxidados).

A despesa energética total = somatório de

(1) BMR

(taxa metabólica basal)

(2) despesa energética associada a atividade física (3) efeito termogénico dos nutrientes

(4) despesa energética associada à adaptação ao frio

a) associado estritamente a hidrólise/síntese de ATP b) ação de oxídases e oxigénases e desacoplagem “basal” na fosforilação oxidativa

34

Que acontece se um indivíduo não se alimentar durante algum tempo?

A formação contínua de ADP mantém ativos os processos oxidativos e o indivíduo vai oxidando os seus próprios lipídeos, glicídeos e proteínas. A quantidade total de calor libertado (ou O₂ consumido)

é a despesa energética.

Se a “lareira” não for alimentada com “lenha” acaba por apagar-se por falta de combustível...

Para manter a “lareira” acesa e com tamanho constante é

necessário adicionar-lhe os combustíveis que se vão queimando... Um indivíduo em

equilíbrio energético

(= balanço energético nulo) mantém constante a massa corporal porque toma do exterior

energia metabolizável dos alimentos =

35

A que é que corresponde a energia não metabolizável dos alimentos?

Ainda é possível (por combustão completa numa fornalha) obter energia

das fezes, da urina e dos gazes expirados ⇒ _{parte dos alimentos não é metabolizada}

A energia não metabolizável dos alimentos é variável e, num indivíduo sem

problemas gastrointestinais, depende dos alimentos ingeridos e do seu

processamento:

1

-

As proteínas geram ureia (da urina) e não N₂…

2- Os combustíveis perdidos nas excreções não representam energia metabolizável. ... a celulose e outras fibras da dieta não são absorvidas

... dependendo do grau de cozedura uma parte dos nutrientes não é digerida nem absorvida... e perde-se nas fezes ... parte do álcool ingerido e dos corpos cetónicos formados perdem-se na urina e no ar expirado

36

Nota: é frequente na literatura médica usar-se a expressão Cal

como sinónimo de kcal.

Valores

médios... em

kcal/g

Oxidação completa num calorímetro. Oxidação humana. Energia metabolizável dos alimentos absorvidos e das reservas energéticas.

Energia

metabolizável dos

alimentos que irão

ser ingeridos

Glicídeos

(amido ou glicogénio)

4,1

4,1

4

(absorção incompleta)

Proteínas

_5,9

_4,3

_{(ureia e não N}

2)

4

(absorção incompleta)

Lipídeos

(triacilgliceróis)

9,5

9,5

9

(absorção incompleta)

Etanol

_7,1

_7,1

₇

_{(perdas na respiração e}

37

Se a energia metabolizável dos alimentos = despesa energética ⇒ o indivíduo tem balanço energético nulo.

Um balanço energético nulo não é sinónimo de alimentação saudável:

Se a energia metabolizável dos alimentos

>

despesa energética

⇒ _{balanço energético positivo...}

diferença = energia de oxidação da matéria orgânica que se acumula no ser vivo...

Se a energia metabolizável dos alimentos

<

despesa energética

⇒ _{balanço energético negativo...}

diferença = energia de oxidação da matéria orgânica do ser vivo que se oxida e não é reposta...

38 pequeno almoço almoço lanche jantar a dormir Períodos de “ginástica” Taxa da despesa energética total e ingestão calórica ao longo de um dia

num indivíduo adulto sedentário

Quando falamos de balanço energético não é adequado pensar

em períodos curtos de tempo.

Ao longo das horas de um dia quase (termogénese associada à ingestão de alimentos) não há

relação entre a (1) energia metabolizável dos nutrientes ingeridos e a (2) despesa energética.

A maior parte dos adultos tende a manter o peso mais ou menos estável durante largos períodos de tempo (meses ou anos) ⇒ existem mecanismos neuroendócrinos que

tendem a ajustar o valor calórico da dieta (apetite) ao da despesa energética.

Energia metabolizável dos alimentos

ingeridos

Despesa

39

Nos mamíferos adultos saudáveis e com alimentos disponíveis (e “apetecíveis”)

a energia metabolizável dos alimentos tende a equilibrar (ou a suplantar

ligeiramente) a despesa energética (= balanço energético nulo ou ligeiramente +). Na regulação homeostática da ingestão de alimentos estão envolvidas hormonas

libertadas no tubo digestivo, no pâncreas e no tecido adiposo. O hipotálamo é o local do cérebro mais importante na regulação do apetite.

Por exemplo:

1) A leptina é uma hormona sintetizada no tecido adiposo a uma velocidade proporcional à sua massa.

A leptina tem recetores em núcleos hipotalâmicos que quando estimulados pela leptina inibem o apetite.

2) A colescistocinina é libertada no intestino quando uma refeição contém lipídeos;

estimula o nervo vago induzindo saciação.

40

Os mecanismos homeostáticos neuroendócrinos tendem a manter a energia metabolizável dos alimentos igual à despesa energética mas ... os hábitos dietéticos e a baixa atividade física na civilização ocidental moderna

⇒ _{aumento de peso médio de cerca de 10 kg entre os 25 e os 40 anos de idade.}

Qual o valor da diferença entre a energia metabolizável dos alimentos e a despesa energética que explica este aumento de peso?

8 000g * 9,5 kcal/g = 76 000 kcal 400g * 4,3 kcal/g = 1 720 kcal 77 720 kcal 77 720 kcal / (365 dias *15 anos) = excesso médio de 14,2 kcal por dia

Considerando uma despesa energética média de 2400 kcal/dia

... para engordar 10 kg em 15 anos basta ter um balanço energético positivo de + 0,59 %.

O único método de avaliação do balanço energético é a comparação da massa

corporal (eventualmente complementada com a avaliação da sua composição)

em dois momentos temporais

(

intervalo > 1 mês, por exemplo

).

“Antes que apodreçam, o sítio mais seguro para guardar os alimentos em excesso é no próprio tecido adiposo.”

41

A variação no tempo da massa dos diferentes compartimentos do organismo

(massa gorda e massa isenta de gordura) pode servir para saber se existe

balanço energético positivo, nulo ou negativo e para quantificar o seu valor.

Défice calórico admitindo que:

(1) variação de reservas de glicídeos = 0

(2) 20 % da massa isenta de gordura = proteína

14 500 g Lip * 9,5 kcal/g = 137 750 kcal 2 020 g Pro * 4,3 kcal/g = 8 686 kcal 146 436 kcal

balanço negativo

(146436 kcal/95 dias)

=

1 541 kcal/dia

Valor calórico da dieta diária foi estimada = 5 070 kcal/dia

A despesa energética diária foi estimada pela técnica da “DLW” = 6 524 kcal/dia

balanço negativo = (

6 524

–

5 070

) = 1 454 kcal/dia

Aceitando os pressupostos, os dois valores (1541 e 1454 kcal/dia) deveriam ser iguais; a pequena diferença resulta do erro experimental.

Exemplo de um estudo que incluiu uma viagem à Antártida durante 95 dias [Stroud et al. (1994) Clin Sci 87 supp: 54]

42

O Quociente Respiratório (

Respiratory Exchange Ratio

) varia com o tipo de

nutriente que está a ser oxidado.

QR =

CO

₂

/

O

₂ O QR é 1 quando se oxidam glicídeos e 0,7 quando se oxidam lipídeos. O QR das proteínas tem, em média, um valor intermédio ≈ 0,84.

O calorímetro indireto mede as velocidades

de consumo de O

₂

e a produção de CO

₂

permitindo calcular a despesa energética e

o Quociente Respiratório (QR)

QR = moles ou volume CO

₂

excretado /

moles ou volume de O

₂

consumido.

glicose (C₆H₁₂O₆) + 6 O₂ →→→→ 6 CO₂ + 6 H₂O 6/6 = 1 palmitato (C₁₆H₃₂O₂) + 23 O₂ →→→→ 16 CO₂ + 16 H₂O 16/23 = 0,7 glutamina (C₅H₁₀O₃N₂) + 4,5 O₂ →→→→ 4 CO₂+ 3 H₂O + 1 ureia 4/4,5 = 0,9 leucina (C₆H₁₃O₂N) + 7,5 O₂ →→→→ 5,5 CO₂ + 5,5 H₂O + 0,5 ureia 5,5/7,5 = 0,73

O QR seria

0,7

se, num dado momento, os únicos nutrientes a serem oxidados fossem lipídeos.

O QR é 1

se, num dado momento, o único nutriente a ser oxidado é a glicose (ou, e glicogénio).

Glicose +

O

₂

Ácidos Gordos

+ O

₂

Na prática em todos os

momentos oxidamos

misturas

de glicídeos,

lipídeos

e proteínas

… com diferentes

proporções que dependem

da:

(1) dieta (mais ou menos

rica em lipídeos versus

glicídeos),

(2) do estado nutricional e

(3) da intensidade do

exercício físico.

44

Num indivíduo em balanço energético nulo em que a composição

corporal também não varia, o seu QR médio = “QR” da dieta (food RQ).

30 dias com despesa de

2400 kcal/dia = 72000 kcal e igual valor

de energia metabolizável na dieta

Dieta:

X g de glicídeos + Y g de lipídeos + Z g de proteínas

O

₂ X g de glicídeos oxidados + Y g de lipídeos oxidados + Z g de proteínas oxidadas

70 kg de

peso

70 kg de

peso

Quando estamos a emagrecer (balanço energético negativo) oxidamos

toda a dieta + triacilgliceróis endógenos

⇒

QR < “QR” da dieta

Quando estamos a engordar (balanço energético positivo) oxidamos

todos os glicídeos da dieta, mas parte dos ácidos gordos da dieta são

armazenados

⇒

QR > “QR” da dieta

45

No período pós-absortivo

(jejum antes do pequeno almoço) a insulina está baixa

⇒

⇒

⇒

⇒

(1) inibição das enzimas e

transportadores que promovem a oxidação da glicose

(2) estimulação a lipólise e (3) estimulação da carnitina-palmitil-transférase 1 (que

promove a oxidação dos ácidos gordos).

No período pós-prandial (de uma refeição que contenha glicídeos), a insulina está alta

⇒

⇒

⇒

⇒

(1) estimulação das enzimas (glicocínase, cínase da frutose-6-P hepáticas e

desidrogénase do piruvato) e dos

transportadores (GLUT 4 no músculo) que promovem a oxidação da glicose,

(2) inibição a lipólise (↓ hidrólise de triacilgliceróis nos adipócitos) e

(3) inibição da

carnitina-palmitil-transférase 1 (o que implica inibição da oxidação dos ácidos gordos).

⇒

⇒

⇒

⇒

QR

entre 1 e 0,95

⇒

⇒

⇒

⇒

QR

≈≈≈≈

0,85

O QR aumenta, aproximando-se de 1, quando oxidamos glicídeos

e baixa, aproximando-se de 0,7, quando oxidamos lipídeos.

46

Relativamente a um exercício de baixa intensidade, quando a intensidade do exercício é elevada,

o contributo dos carbohidratos (glicogénio muscular e glicose sanguínea) ↑↑↑↑, o contributo dos ácidos gordos livres (FFA) e dos TAG intramiocelulares ↓

⇒

QR

↑

glicogénio das fibras glicose Triacilgliceróis intramiocelulares

47

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