Pós-Gr
aduação
a
Di
stânci
a
Sistema Imune e Nutrigenômica
Aplicada ao Esporte
SUMÁRIO
Expressão gênica e Exercício 4
Caracterização dos processos moleculares para expressão gênica e síntese protéica pelo exercício 4
Genética da Obesidade 5
Fatores de transcrição e metabolismo de Lipídios 6
PPARs (Peroxisome Proliferator-Activated Receptors) 6
Estrutura conformacional dos PPARs 7
Mecanismos de ativação e ação dos PPARs 7
Tecidos onde são expressos os PPARs 8
Ligantes e ativadores de PPARs 8
PPAR a 9
PPAR
b 10
PPARy 13
A importância da atividade Física no controle da expressão gênica 14
SREBPs (Sterol Regulatory Element-Binding Protein) 15
Adipocinas 16
Leptina e exercício 18
Mecanismos de controle molecular na biogênese mitocondrial: efeitos da intensidade do treinamento. 18
PPAR e emagrecimento 22
Adaptações moleculares induzidas pelo treinamento de força. 22
Exercícios de alta intensidade e parâmetros moleculares envolvidos no gasto energético 24
EXPRESSÃO GÊNICA E EXERCÍCIO
A regulação do metabolismo de lipídios bem como o de carboidratos é de suma importância para o controle da homeostase. Tal controle envolve sistemas que são sensíveis a vários estímulos, tais como, a disponibilidade de substratos, atividade física, stress e até mesmo condições climáticas podem ser relevantes.
O gerenciamento das respostas fisiológicas induzidas por tais estímulos ocorre em vários níveis a fim de garantir uma adaptação eficiente do balanço energético. A resposta hipotalâmica no cérebro, por exemplo, é diretamente responsável pelo controle do metabolismo de carboidratos e ácidos graxos. Um outro papel importante especificamente para os lipídios, é a capacidade que seus metabólitos (tais como leucotrienos e prostaglandinas) têm de atuarem como potentes mediadores de vários processos biológicos fundamentais nas respostas dadas pelo organismo.
Na primeira parte deste módulo nos concentraremos no papel dos lipídios e seus derivados no controle genético dos seus próprios sistemas de transporte, captação celular, compartimentalizacão, mobilização e uso. Em seguida, apresentaremos as diversas adaptações celulares induzidas pelo treinamento físico em diferentes intensidades e a nutrição. Contudo, é de suma importância o bom entendimento do papel do exercício sobre os mecanismos moleculares da expressão gênica e protéica nos diversos tecidos.
Caracterização dos processos
moleculares para expressão gênica e
síntese protéica pelo exercício
Adaptações celulares, moleculares, mecânicas, hormonais e metabólicas demandam estímulos que sejam suficientes para provocar modificações na expressão gênica tanto para ganho como perda de massa muscular. Uma das principais importâncias da utilização de técnicas de Biologia Molecular para a área da Fisiologia do Exercício é verificar a concentração de RNAmensageiro (RNAm) no
músculo esquelético antes, durante e após exercícios de caráter agudo ou crônico. As mudanças na concentração desses RNAm bem como das proteínas por ele codificados seguem na mesma direção, sendo que as mudanças no RNAm são mais transitórias quando comparada a codificação das proteínas. A alteração da resposta desses genes (RNAm) provoca a mudança na concentração de proteínas.
Sinais mecânicos gerados durante a contração muscular promovem adaptações nas células musculares através de aumento na regulação de mensageiros primários e secundários de vias que promovem a expressão gênica, síntese e degradação de proteínas. Cada proteína é formada por uma seqüência única de aminoácidos (aa), as informações contidas nessa seqüência de aa estão armazenadas no DNA. A principal função do DNA que está contido no núcleo celular é fornecer informações genéticas para a síntese de todas as moléculas de proteínas do nosso organismo a partir de sinalizações externas ao núcleo celular. O DNA é uma molécula onde estão os pares de base associadas a proteínas chamadas de histonas e proteínas não histônicas, formando assim um complexo chamado de cromatina que compõem os cromossomos.
A histona acetiltransferase (HAT) tem a função de acetilar, remodelar a cromatina levando a um aumento do acesso aos genes de transcrição, reforçando a transcrição gênica. Enquanto a histona diacetilase (HDAC) faz o caminho reverso da HAT o que resulta em maior compactação da cromatina.
A síntese de uma nova proteína se inicia com a duplicação da fita de DNA, a enzima DNA transferase desenrola a fita de DNA e provoca sua duplicação. A molécula de DNA consiste em duas fitas helicoidais de ácidos nucléicos que formam uma dupla hélice em torno de um mesmo eixo. A partir dessa divisão ocorre a fase de transcrição pelo RNAm.
Os RNAs são divididos em três tipos: RNAmensageiro (RNAm) responsável por transferir a informação genética do DNA para o início da síntese protéica; RNAribossômico (RNAr) contribui na formação de ribossomos (juntamente com as proteínas) que são organelas fundamentais que servem de sustentação molecular para as reações quimicas que ocorrem durante a síntese protéica; RNAtransportador (RNAt) transporta do citossol os diferentes aa até o ribossomo, seguindo a ordem determinada pelos nucleotídeos do RNAm. Recentemente foi encontrado um novo tipo de RNA, miRNA (microRNA) que regula a expressão gênica em eventos pós-traducionais através de dois mecanismos: clivagem de RNAm e inibição da tradução de RNAm para proteína.
A síntese de proteínas é dividida em duas etapas: TRANSCRIÇÃO, criação de um RNA de filamento único a partir da informação genética armazenada no DNA de filamento duplo. A síntese do RNAm ocorre quando suas seqüências reguladoras e o promotor são ativados por proteínas chamadas de fatores de transcrição que podem ser gerais ou específicos. Os fatores de transcrição gerais ativam o promotor e causam o desmonte dos cromatossomos no inicio do setor codificador do gene, permitindo a separação local das duas fitas do DNA e início da transcrição. Ao sair para o citoplasma o RNAm se liga a novas proteínas e ribossomos, o que o capacita a exercer sua função codificadora na síntese proteica.
TRADUÇÃO, o RNAt leva os AA que o mensageiro codificou para o RNAm, o mesmo leva a informação para o citoplasma e se liga ao ribossomo iniciando a síntese protéica.
Pré-traducional é um termo definido como eventos que alteram a quantidade de RNAm, traducionais são aquelas alterações que ocorrem na síntese de proteínas por unidade de RNAm e pós traducionais são as modificações ocorridas nas proteínas através de eventos de sinalização que a levarão a fosforilação, uso ou degradação.
Modulações na transcrição dos genes envolvem diversos processos biológicos, além de eventos traducionais e pós traducionais que serão discutidos no decorrer deste módulo.
Genética da Obesidade
Nos últimos anos, tem surgido um grande interesse na utilização de vários genes no tratamento da obesidade. Sem dúvida, a prevalência da obesidade tem aumentado de maneira considerável nas últimas décadas, principalmente nos paises de cultura ocidental, onde a população de maneira geral leva um estilo de vida sedentário e uma dieta pouco balanceada. Infelizmente a obesidade não esta apenas associada em um simples desbalanço energético. Ela também esta associada com várias anormalidades que incluem desde problemas como dislipidemia, crescimento nos fatores de risco cardiovasculares, até anormalidades no metabolismo da glicose. Todas essas alterações podem ser facilmente derivadas de problemas genéticos que resultam problemas como resistência a insulina e diabetes do tipo II, que dão origem a chamada “Síndrome Metabólica”, entre outras doenças ligadas a fatores genéticos.
Portanto, a princípio, sugeriu-se que uma possível indução ou modulação de certos genes chaves no controle do metabolismo de lipídios no tratamento da obesidade seria interessante (Figura 1). A seguir estão relacionados aqueles que seriam alvos de tais pesquisas.
Figura. 1: Mapa genético dos principais genes ligados a obesidade. No esquema estão dispostos os genes e os locais de expressão nos respectivos cromossomos.
(adaptado de marques lopes et al, 2003)
Fatores de transcrição e metabolismo de
Lipídios
A homeostase lipídica depende de mecanismos que vão além do balanço energético que conhecemos. Diversos fatores alternativos têm influência direta no controle do metabolismo de ácidos graxos. Tais fatores podem modular a capacidade catalítica de várias enzimas através de interações alostéricas como, por exemplo, a ação do citrato e do Acil-Coa, que pode ativar e/ou inibir a ação da enzima lipogênica Acetil-Coa carboxilase, entre outros
Além disso, estes fatores podem participar diretamente no controle transcricional de genes que codificam proteinas-chave responsáveis pelo gerenciamento do metabolismo de lipídios. Os chamados “Fatores de Transcrição”, que seriam a chave desse controle têm recebido maior atenção. A seguir, descreveremos os mais relevantes.
PPARs (Peroxisome
Proliferator-Activated Receptors)
Ácidos graxos não são meramente substratos passivamente envolvidos em processos metabólicos, mas também são sinalizadores metabólicos de extrema importância no controle da homeostase. Sabe-se que o tecido adiposo além de estocar gordura, pode secretar certos hormônios importantes no controle metabólico. Além disso, o núcleo da célula possui locais e receptores que são passiveis de modulação por ácidos graxos, principalmente aqueles de origem insaturada. Dessa maneira, os ácidos graxos se comportam como “moléculas hormônios” se assim podemos classificá-los.
Sabe-se que as alterações ocorridas no metabolismo de lipídios estão, na maior parte das vezes, relacionadas a alterações na expressão gênica das enzimas envolvidas no mesmo. Reconhece-se hoje em dia, que muitas dessas alterações são mediadas por mecanismos dependentes da ativação de PPARs (receptores ativados por proliferadores de peroxissomas), que têm um papel central na
armazenagem e catabolismo de ácidos graxos e tem como principal ativador os próprios ácidos graxos.
Esses receptores nucleares foram identificados pela primeira vez em 1990, quando a isoforma a mostrou ser um receptor de xenobiontes capaz de induzir a proliferação de peroxissomas no fígado de ratos. Subsequencialmente, dois outros tipos de PPARs, gama e beta, foram identificados. Desconsiderando-se seus nomes, tanto o PPARg como o PPARβ não respondem à proliferação de peroxissomas. Estudos sobre as funções fisiológicas dos PPAR têm sido desenvolvidos com diferentes modelos que investigam sua função na homeostase lipídica, na proliferação e diferenciação celular, bem como no controle da inflamação (Figura 2). Mais recentemente, diversos estudos apontam que a prática de exercícios exerce influência sobre a expressão gênica e atuação dos PPARs nos mecanismos transcricionais do metabolismo lipídico.
Figura 2: Efeito metabólico dos agonistas de PPARs no metabolismo de ácidos graxos em diferentes tecidos ((Retirado de Lopez-Soriano et al., 2006)
Estrutura conformacional dos PPARs
Os PPARs possuem uma estrutura clássica como a dos outros receptores nucleares (como o receptor do hormônio tireoideano), tendo uma região com o domínio de ligação dependente de ligante (AF-1) seguido pelo domínio de ligação do DNA (DBD), o domínio de ligação dependente de ligante (LBD) e uma região D que permite mudanças conformacionais para melhor adaptação transcricional (19).(Figura 3)
Figura 3: Estrutura e mecanismo de ação dos PPARs(Retirado de Ferre 2004)
Mecanismos de ativação e ação dos
PPARs
Segue na animação abaixo o mecanismo de ativação dos PPARs por ação dos lipídios (principalmente polinsaturados) e sua atuação na regulação da transcrição de genes do metabolismo oxidativo de lipídios
Tecidos onde são expressos os PPARs
Em humanos, o PPARa é altamente expresso em hepatócitos, cardiomiócitos, rins e músculo esquelético (tecidos com alta capacidade oxidativa), enterócitos e tecido adiposo marrom. Além disso, existe uma considerável expressão de PPARa durante o desenvolvimento do sistema nervoso central e no processo de maturação do tecido epitelial.
Já em ratos, parece que a expressão de PPARa é mais tardia. Em ratos adultos, verificam-se níveis relativamente elevados de RNAm do PPARa no tecido adiposo marrom, fígado, rins, coração, na mucosa do estomago e duodeno. Porém especialmente no fígado, humanos apresentam menores concentrações de PPARa. Outros dados também disponíveis na literatura indicam que o PPARa é bem expresso no coração, rins, músculo esquelético e intestino grosso.
O PPAR g é altamente expresso no tecido adiposo marrom e branco, intestino grosso e baço. Na fase adulta, o PPARg apresenta uma expressão relativamente restrita, onde seus maiores níveis encontrados no tecido adiposo e níveis mais modestos encontrados no fígado e nos rins, prevalecendo ainda em ratos o mesmo padrão de expressão restrito para tal isoforma.
Finalmente, o PPARg é expresso em baixa concentração na retina e no músculo esquelético. Portanto de maneira
mais ampla poderíamos admitir que o PPARg encontra-se de maneira mais abundante em tecidos com baixo potencial oxidativo, enquanto o PPARa, por sua vez, encontra-se expresso mais abundantemente em tecidos com alto potencial oxidativo, como, por exemplo, o tecido muscular esquelético.
Em contraste com as isoformas a e g, que estão abundantemente expressas em alguns tecidos, o PPAR β é expresso em praticamente todos os tecidos, porém em níveis similares . No estágio da vida adulta, o PPAR β está expresso de maneira onipresente, e frequentemente apresenta-se em níveis mais elevados do que as isoformas a e g, principalmente no músculo esquelético. Ele apenas apresenta menores concentrações no fígado se comparado a tecidos como pulmões e rins. Embora o músculo esquelético apresente altas concentrações de PPAR β. Muitos estudos apontam um papel importante do PPAR β no desenvolvimento da biogênese mitocondrial pelo exercício, que será tratada mais a frente neste módulo.
Ligantes e ativadores de PPARs
Uma grande quantidade de compostos são identificados como ligantes dos PPARs. Os AG e seus derivados são ligantes das 3 isoformas conhecidas. O PPARa é ativado por eicosanóides naturais derivados do ácido araquidônico pela via da lipoxigenase, tais como 8-S HETE e leucotrieno B4 (LTB4). Os fibratos, uma classe de drogas hipolipidemiantes, são agonistas sintéticos do PPARa.
O PPARg é ativado por vários metabólitos derivados do ácido araquidônico através das vias da cicloxigenase e lipoxigenase, tais como a PGJ2 (prostaglandina J2 e 15- HETE.
Finalmente o PPARβ tem como ligantes os AG polinsaturados e prostaglandinas, tais como a PGJ2. Recentemente, outras funções e ligantes para o PPARβ têm sido discutidos.
Nos próximos itens iremos descrever isoladamente a importância de cada uma das isoformas de PPARs supracitadas, bem como, sua importância na regulação do metabolismo lipídico. Além disso, mais a frente, o papel
destas isoformas na regulação do metabolismo lipídico em indivíduos praticantes de exercício será abordado.
PPAR a
Como já mencionado, o PPARa esta expresso em tecidos com alta atividade metabólica como o coração, fígado, tecido adiposo e músculo esquelético, onde o mesmo regula genes que catalizam o metabolismo de ácidos graxos.
Dentre os genes regulados pelo PPARa estão a Lípase Lipoprotéica (LPL), responsável pelo transporte de ácidos graxos e lipoproteínas, as translocases de ácidos graxos (FABP), a Acil-Coenzima A, responsável pela ativação citoplasmática de ácidos graxos, proteínas ligadas a lipogênese como Acetil-Coa Carboxilase e FAS, que realizam a síntese de ácidos graxos, bem como o grupo de proteínas desacopladoras (UCPs), entre outros. Sugere-se uma importante função das FABPs no direcionamento e fornecimento dos ácidos gaxos, principalmente de origem insaturada para o núcleo da célula. Desta maneira, essas proteínas teriam papel fundamental na biodisponibilidade de lipídios para que estes possam agir como ligantes dos PPARs e otimizar as funções do metabolismo de lipídios
O sistema de transporte mitocondrial de ácidos graxos (sistema carnitina palmitoil transferase ou simplesmente CPT mostra-se estreitamente modulado pela ação dos PPARs, principalmente pela isoforma a. Ainda nesse módulo abordaremos as modulações sofridas pelo sistema CPT através da atividade transcricional do PPARa, bem como os efeitos benéficos da atividade física em tal processo.
De fato, vários estudos vêm sendo realizados, onde se demonstra o papel fundamental do PPARa na modulação do metabolismo lipídico. Sugere-se que o aumento do fluxo de lipídios, oriundos principalmente a partir dos processos de lipólise motivados pelo exercício físico contribuem para a maior sinalização e ativação do PPARα e conseqüente favorecimento da oxidação dos lipídios conforme descrito na figura abaixo (Figura 5)
Figura 4: Via de modulação do metabolismo de lipídios x carboidratos pela ação do PPARa.(Retirado de Sugden et al., 2001) INSERIR A ACAO DO EXERCICIO ANTES DO INFLUXO DE LIPIDIOS
A partir da manipulação genética do PPARa (processo este conhecido como “Knock-out”) certificaram-se os efeitos supracitados. De fato a maioria das pesquisas realizadas mostram que ratos “Knock-out” de PPARa no fígado apresentam efeitos deletérios como esteatose hepática, bem como, elevação nos níveis de triglicérides circulantes e colesterol. Em situações de restrição alimentar nas quais os indivíduos são “Knock-out” de PPARa também se encontram níveis elevados de ácidos graxos circulantes, somado a um rápido acúmulo de lipídios, hipoglicemia profunda, falha na resposta cetogênica e depleção de glicogênio no fígado.
Processo semelhante ocorre no músculo cardíaco que na ausência do PPARa apresenta problemas na oxidação de ácidos graxos, sendo estes a principal fonte do músculo cardíaco em situações de stress como o jejum prolongado e atividade física.
Por outro lado no músculo esquelético existem duas vertentes de pesquisa conflitantes. A primeira delas aponta que o PPARa tem influencia direta no metabolismo de lipídios em indivíduos treinados aerobicamente.
Utilizando como objeto de estudo o treinamento de endurance em mulheres, Horowitz et al. (2000) observaram um aumento na concentração de MCAD
(Acil-Coa desidrogenase de ácidos graxos de cadeia média), e da Acil-CoA desidrogenase de ácidos graxos de cadeia longa (VLCAD) e ainda, da Citrato sintase no músculo esquelético de mulheres treinadas, em relação ao grupo controle, além de um aumento na expressão do PPARa. Sugeriram assim, que uma possível via regulatória representada pelo PPARa pode ser ativada pelo treinamento.
Corroborando tais achados, Russell et al. (2003) observaram em seus estudos que após 6 semanas de treinamento de endurance os níveis de RNAm da CPT I e PPARa aumentaram no músculo esquelético, considerando que a expressão gênica do PPARa foi maior nas fibras musculares do tipo I em comparação às fibras do tipo II, confirmando o aumento no metabolismo oxidativo induzido por tal tipo de treinamento.
Em contraste, Tunstall et al. (2002) verificaram que logo após a realização de um exercício de endurance de uma hora de duração (agudo), a expressão gênica das proteínas FAT/CD36 (responsável pelo transporte intracelular de ácidos graxos) e CPT I não mostra mudanças significativas no músculo esquelético, enquanto que o treinamento (9 dias de exercício) teve um efeito significativo no aumento da expressão da FAT/ CD36 e CPT I, acompanhado de um aumento na oxidação de ácidos graxos em humanos, embora a expressão da PPARa tenha permanecido inalterada.
O aumento no RNAm para PPARa e do conteúdo protéico encontrados após 6 semanas de treinamento por Russell et al. (2003), contrasta com os resultados encontrados por Tunstall et al. (2002), que não observaram mudanças nos níveis de RNAm para PPARa em humanos após 9 dias de treinamento. Contudo, tais resultados estão de acordo com aqueles obtidos por Horowitz et al. (2000), que observaram um incremento de 2 vezes no conteúdo protéico de PPARa no treinamento em relação ao grupo controle. Ainda, Russell et al. (2003), observaram aumento concomitante na expressão de CPT I e PPARa. Provavelmente, tais disparidades de resultados estão relacionadas às diferenças de intensidade e duração do treinamento, sugerindo que é necessário um período longo de treinamento para obtenção de aumento na expressão do PPARa e CPT I, já que Tunstall et al. (2002)
e Russell et al. (2003) verificaram 57% e 73% de aumento na expressão gênica da CPT I, respectivamente. Esses dados indicam uma relação entre volume/intensidade de treinamento na ativação dos fatores de transcrição, tais como o PPARα.
Por sua vez, outras pesquisas apresentam não o PPARa como principal mediador de tais adaptações impostas pelo exercício, acreditando que uma possível deficiência no conteúdo do PPARa teria um efeito não significante na resposta do músculo esquelético ao jejum prolongado e/ou a atividade física, provavelmente pela ação compensatória do PPARb, que vamos tratar a seguir.
PPAR
b
A exata função do PPARb ainda não foi bem estabelecida pela comunidade científica, embora nos últimos anos, recentes, publicações demonstram que o mesmo está relacionado com controle do metabolismo.
Em estudo realizado pela Universidade Nacional de Seul no ano de 2003, verificou-se que uma ativação induzida do PPARb de fato levou a mudanças metabólicas relevantes em roedores, como um aumento no catabolismo de ácidos graxos, no gasto de energia total e principalmente uma diminuição na massa adiposa total. (Figura 5) Dessa maneira, O PPARb é sugerido como um grande instrumento no controle da obesidade, prevenindo a hipertrofia do tecido adiposo, e um possível acúmulo de lipídios, através de uma diminuição dos níveis circulantes de ácidos graxos livres e triglicérides.
Figura 5: Redução da adiposidade em ratos com expressão aumentada de PPARb(Retirado de Wang et al., 2003)
Reforçando ainda mais tais resultados, nesse mesmo estudo verificou-se também que vários genes chaves requeridos no controle do metabolismo de lipídios apresentaram-se supra-regulados. Dentre esses genes podemos destacar genes como UCP1 e UCP3, CPTIm, aumentados no tecido adiposo marrom, LHS (lípase hormônio sensível), enzima esta que cataliza a hidrólise de triglicérides em adipócitos, entre outros. Alem disso, genes envolvidos no processo de lipogênese como SREBP1, e no armazenamento de lipídios, tem sua ativação induzida pelo PPARg no tecido adiposo, mostrando claramente as funções específicas que cada uma das isoformas de PPARs apresenta.
Embora inicialmente acreditava-se que somente o PPARa tivesse função importante no metabolismo do músculo esquelético, a abundante expressão do PPARb em miócitos, sugere um importante papel de tal isoforma também no músculo esquelético. Estudos mais recentes demonstram que o PPARβ tem também um importante papel no controle do metabolismo de AG no músculo esquelético.
Para comprovar tal proposta vários estudos foram realizados em sujeitos sedentários e/ou praticantes de atividade física. O resultado encontrado foi que de fato existe uma grande expressão de PPARb nas fibras do tipo I (com maior potencial oxidativo) no músculo esquelético, principalmente naqueles indivíduos praticantes de atividade fisica e que tal condição e extremamente favorável no combate a obesidade. Como isso acontece? Vários fatores estariam supostamente envolvidos.
• O maior potencial oxidativo do músculo
esquelético pela ação do PPARb ocorreria pelo fato de as enzimas oxidativas apresentarem um coordenado e profundo aumento na sua expressão gênica, além de um aumento expressivo no processo de biogênese mitocondrial, somado a uma grande produção de fibras do tipo I (oxidativas).
Porém, o combate a obesidade não depende apenas da conversão em fibras do tipo I. Depende também de fatores fisiológicos, como adaptações na inervação neural, funções de motoneuronios e uma adaptação metabólica periférica que capacite o organismo a estas novas respostas fisiológicas. Portanto, uma superexpressão e ativação do PPARb muscular trariam ao organismo adaptações semelhantes aquelas obtidas pelo exercício físico, mesmo na ausência do mesmo.
Estudos utilizando a técnica de “Knock-out” reportam condições de esteatose hepática e elevados níveis de triglicérides circulantes, porem os seus maiores efeitos apresentam-se de fato no músculo esquelético, principalmente quando tais indivíduos são submetidos a situações de stress como jejum prolongado e exercício físico.
Podemos dizer que a inversa é verdadeira. Estudos envolvendo uma específica super expressão de PPARb demonstram claramente que tal isoforma esta amplamente envolvida no processo de remodelação muscular e também na resposta ao exercício físico. De fato, o treinamento de baixa intensidade aumenta os níveis de PPARb em animais, apontando um papel fundamental desse receptor nuclear em tal resposta. Além disso, O PPARb parece também ser nutricionalmente regulado
no músculo esquelético pela ação de ácidos graxos, principalmente aqueles de origem insaturada.
Estudos apontam que de fato os ratos apresentam aumento na capacidade aeróbica em ratos que super expressam PPARb, acompanhado de uma adaptação das fibras musculares oxidativamente e resistência a obesidade (Figura 6).
Figura 6: Caracterização da adaptação e aumento das fibras oxidativas do tipo I em ratos transgênicos com alta concentracao de PPARb (Retirado de Wang et al., 2004).
Muiuo et al. (2002) verificaram que na ausência do PPARa e na indução do PPARβ por um ligante exógeno há aumento da expressão gênica de proteínas como PDHK4(piruvato desidrogenase quinase 4) MCD (Malonil CoA descarboxilase) e CPT I, mesmo sem ativação do PPARa. Sabe-se que essas duas isoformas podem se ligar ao mesmo PPRE (seqüência do DNA responsiva ao PPAR), o que pode causar respostas idênticas no processo de ativação das mesmas.
Além disso, outros estudos revelam uma relação estreita entre o PPARβ e os efeitos do exercício físico. A expressão aumentada do PPARβ influenciada pelo treinamento aumenta a oxidação de AG nas miofibrilas e reduz a adiposidade em roedores e humanos.
Luquet et al. (2003) verificaram que em ratos normais o treinamento em piscina por 45 minutos e 6 vezes por semana, durante 3 semanas, promoveu um aumento no conteúdo protéico do PPARβ. Estas descobertas sugerem que o PPARβ pode estar diretamente envolvido no metabolismo de lipídios, até mesmo como compensador na falta do PPARa que nas pesquisas de MUIUO et al., foram eliminados. Contudo, curiosamente a atividade metabólica de genes ligados ao metabolismo de lipídios foi mantida. Isso provavelmente ocorreu pela ação do PPARb, uma vez que foram utilizados nesse estudo ligantes sensíveis ao mesmo.
Existe ainda uma possível ligação entre a IL-6 (interleucina 6) e o PPARb no músculo esquelético. Tal fato e particularmente interessante e relevante, uma vez que o exercício aumenta a expressão de ambos os genes. Isto corrobora a idéia de que a liberação de IL-6 favorece á oxidação de ácidos graxos no músculo esquelético durante o exercício. Portanto, o fato de o PPARb estar ligado à diferenciação de fibras vermelhas músculo esquelético pode indicar um papel importante da IL-6 durante a pratica de exercícios crônicos na adaptação das fibras musculares em direção ao maior potencial oxidativo e aumento na sensibilidade a insulina, embora a base molecular de tal processo permaneça ainda não bem esclarecida.
Outros estudos apontam ainda que a regulação da interconversão de fibras musculares pelo PPARb e o conseqüente aumento no potencial oxidativo ocorre através de um co-ativador transcricional chamado PGC-1a (do Inglês PPAR gama co-activator alpha), que regula a biogênese mitocondrial em conjunto com o PPARb, sugerindo um importante e plausível mecanismo de atuação do PPARb no músculo esquelético durante a prática de exercícios.
De fato o PGC-1a é apontado como uma família de proteínas que são identificadas como a família central dos co-ativadores transcricionais e apresentam ligação direta com as isoformas a e b dos PPARs uma vez que os mesmos possuem sitio de ligação de ativo em sua estrutura conformacional, aceitando assim a ação coadjuvante do PGC-1a, sendo que tal dimerização age diretamente em
fatores de transcrição ligados aos processos oxidativos e aumento na capacidade oxidativa lipolítica. (Figura 7).
Figura 7: Possíveis mecanismos de atuação do PPARb (adaptado de Wang et al., 2004)
De fato, alguns estudos revelam ações paralelas e/ ou compensatórias do PPARa e do PPARb no músculo esquelético, como já supracitado. O mecanismo de atuação do dímero PPARβ/ PGC-1a esta descrito na animação abaixo. Contudo, outros importantes reguladores do processo de biogênese mitocondrial e interconversão de fibras, tais como a ação do cálcio/calmodulina e AMPK serão abordados mais adiante nesse módulo.
PPARy
Sem desconsiderar a importância do PPARa e do PPARb, o grande interesse pelos PPARs sem duvida aumentou consideravelmente quando da identificação do PPARg como um receptor de alta afinidade as drogas anti-diabéticas chamadas TZDs (Tiazolidinedionas). O controle do PPARg no ciclo de vida do adipócito, somado com o grande sucesso dos TZDs no tratamento da Diabetes do tipo II, gerou um amplo entusiasmo na possibilidade de solucionar problemas relacionados com obesidade e resistência a insulina através das pesquisas com PPARg.
Foram utilizados vários ratos “Knock-out” que geraram uma grande quantidade de trabalhos científicos e consequentemente ficou claro não somente a importância bioquímica de tal gene, como também a complexidade do mesmo.
Como no músculo esquelético, a concentração basal de PPARg no fígado é mínima. Contudo, expressão de PPARg hepática é induzida substancialmente durante o processo
de esteatose hepática. A deficiência de PPARg causa um problema significante no “clearance” de triacilglicerol, hiperlipidemia e aumento no conteúdo de massa adiposa com a idade, demonstrando a importância do PPARg hepático no gerenciamento da adiposidade. Em estudos realizados com “knock-out” de PPARg hepático em objetos de estudo diabéticos, verificou-se uma diminuição no processo de esteatose hepática, porem uma dislipidemia somada a um quadro de resistência a insulina. Esse quadro foi revertido através da utilização de TZDs em ratos deficientes de Leptina, sugerindo que tais drogas exercem efeito apenas em adipócitos, onde é produzida a leptina e não em hepatócitos.
Portanto indica-se que o PPARg em hepatócitos é requerido no controle basal da gordura e no controle de processo como esteatose e diabetes. Por outro lado, demonstra-se que o PPARg hepático não é fundamental na sensibilização à insulina pela ação dos TZDs.
Contudo, a expressão abundante de PPARg em adipócitos, indica um papel fundamental do mesmo nessas células, sendo este indispensável ate mesmo na sua constituição. Além disso, a associação entre obesidade, diabetes do tipo II e os efeitos dos TZDs, sugerem um importante papel do PPARg na atividade em adipócitos como chave no processo de resistência a insulina.
Portanto, podemos dizer que o PPARg é a isoforma de PPAR mais importante no controle do metabolismo do tecido adiposo, e consequentemente no controle da obesidade e diabetes do tipo II. O grande questionamento em torno do mesmo se estabelece quando da proposta de utilizar o processo de manipulação genética objetivando uma proteção para tais quadros patológicos. Além disso, sabe-se que tanto a prática de exercícios físicos, como o controle de dieta podem modular sua expressão e consequentemente a sua função “adipogênica”.
Sobre os efeitos da atividade física na expressão gênica dos PPARs trataremos a seguir.
A importância da atividade Física no
controle da expressão gênica
Com toda certeza, a prática de exercícios tem papel fundamental no tratamento terapêutico de varias doenças e distúrbios metabólicos. Muitos estudos demonstram que a pratica freqüente de exercícios pode trazer resultados muitas vezes melhores que qualquer intervenção em nível farmacológico. Portanto o exercício por si só gera respostas positivas no tratamento da obesidade e controla o processo patológico de resistência a insulina. Contudo, é muito importante salientarmos em que nível o sedentarismo esta envolvido no desenvolvimento de distúrbios metabólicos como a dislipidemia, entre outros.
O músculo esquelético é conhecido como o principal local onde as adaptações metabólicas promovidas pela pratica de exercícios tem seu maior efeito. De fato, existem claras evidencias em diferentes níveis de pesquisa em nível molecular que confirmam tal ponto de vista, embora, não possamos de maneira alguma descartar a importância do fígado e do tecido adiposo em tal processo.
Primeiramente, a prática de exercícios afeta a composição de fibras musculares. O treinamento físico ainda pode normalizar a captação de glicose pelo aumento da expressão de GLUT4 somado a um aumento na sinalização da insulina com seu receptor.
A participação de moduladores da expressão gênica como os PPARs são de fundamental importância em tal processo. Em vários estudos encontra-se um aumento na expressão gênica de proteínas chaves para o metabolismo de lipídios (como o sistema CPT, FABP, LPL, PDK, UCPs entre outros), mediado pela ação do PPARa e do PPARb.
De fato, estudos realizados por Russell et al. observaram que após 6 semanas de treinamento aeróbio de corrida ocorreu um aumento no conteúdo de RNAm da CPT I e PPAR alfa no músculo vasto lateral. Além disso,
a expressão gênica do PPAR alfa estava maior nas fibras musculares de contração lenta em comparação com as fibras de contração rápida. (Figura 8)
Figura 8: Efeito de 6 semanas de treinamento de endurance na expressão de PPARa, PPARb, PPARg e PGC-1a *diferença significativa (p<0,01)
(Retirado de Russel et al.,2003)
Corroborando tais resultados, Carnevali e colaboradores, 2011, mostram que a aplicação do protocolo de treinamento contínuo em ratos, realizado em piscina, 5 vezes por semana, durante 8 semanas, aumentou a expressão gênica e a atividade máxima da CPT I no músculo gastrocnêmio, em conjunto com o aumento no conteúdo de RNAm do PPAR alfa, sugerindo que esse receptor nuclear está envolvido diretamente no controle da oxidação de ácidos graxos influenciada pelo treinamento.
Com relação ao PPARb, estudos verificaram que a ausência do PPAR alfa e a ativação do PPAR beta por um ligante exógeno aumentou a expressão gênica de proteínas como piruvato desidrogenase quinase 4, malonil-CoA decarboxilase e CPT I, somando ao fato de que essas duas isoformas de PPAR se ligam ao mesmo elemento responsivo ao PPAR, podendo dessa maneira ter respostas idênticas.
Portanto, os PPARs, principalmente as isoformas alfa e beta, estão envolvidos no transporte e oxidação de AG por mediarem à expressão gênica de proteínas relacionadas ao metabolismo de AG, incluindo o complexo CPT e outras enzimas relacionadas com o transporte de AG no sarcolema, mostrando uma estreita relação entre esses receptores nucleares e o metabolismo de AG no músculo esquelético.
Por sua vez o PPARg, mostra-se eficiente de proteínas que tem papel fundamental no processo de lipogênese e lipólise no tecido adiposo e no fígado respectivamente. Pela sua mediação, Proteínas como a FAS (Sintetase de ácidos graxos), têm menor expressão no fígado e maior expressão no tecido adiposo. Alem disso a proteína LHS (Lípase hormônio sensível), responsável pela liberação de ácidos graxos na circulação sistêmica tem seus níveis aumentados no tecido adiposo periférico, confirmando a importância do PPARg no controle do metabolismo, principalmente o de lipídios no tecido adiposo.
SREBPS (STEROL REGULATORY
ELEMENT-BINDING PROTEIN)
O SREBPs são fatores de transcrição os quais tem sua atividade regulada pelo conteúdo celular de esteróis. Portanto em situações de depleção de esteróis , a porção ativa dos SREBPs é liberada por clivagem proteolítica, entra no núcleo da célula e estimula os fatores de transcrição de genes que participam em três vias do metabolismo lipídico: Biossintese de colesterol, captação de ácidos graxos circulantes e colesterol, biossíntese de ácidos graxos.
Recentemente, foi proposto o envolvimento dos SREBPs no controle de genes como o SCD (do inglês Stearoyl-Coa desaturase) pela ação de ácidos graxos polinsaturados que tem maior afinidade com esse gene. Tal proteína foi inicialmente identificada como chave no processo de síntese de ácidos graxos de novo, estando esta diretamente ligada ao controle de peso corporal. Adicionalmente, o controle de sua expressão é diretamente modulado pela ação de ácidos graxos de origem polinsaturada, confirmando a importância de uma dieta balanceada no controle do metabolismo lipídico.
Contudo, o papel dos SREBPs, e em particular da isoforma 1-c, a qual é predominante no fígado em humanos, não está totalmente compreendido, sendo necessário um maior número de pesquisas para estabelecer a verdadeira relevância desse fator de transcrição no controle da obesidade em humanos. O papel dos SREBPs na síntese ácidos graxos no fígado envolve três isoformas ( SREBP-1a, SREBP-1c e SREBP-2). O papel dos AGPI (ácidos
graxos polinsaturados) como w3 e w6 também se mostra fundamental no controle da obesidade humana, já que estes apresentam alta afinidade de ligação com fatores de transcrição como os PPARs (já estudados anteriormente), e também com os SREBPs. Portanto, sugere-se um trabalho conjunto dos PPARs e dos SREBPs no controle de vários genes ligados aos processos de lipogênese e indiretamente de lipólise.(Figura 9).
Figura 9: O papel do SREBP-1c e dos PPARg no armazenamento de Lipídios. Mecanismos de regulação podem envolver outros fatores de transcrição como os PPARs influenciando diretamente no processo de armazenamento de lipídios (Retirado de Jeffcoat 2007)
A seguir enumeraremos algumas das possíveis hipóteses do controle da lipogênese em diferentes situações de ingesta alimentar:
1- Uma alta concentração de carboidratos e uma baixa concentração de AGPI na dieta resultariam numa síntese elevada ácidos graxos de novo. Isto ocorreria pela ação de diversas enzimas chave no controle da lipogênese, incluindo a SCD,sendo tal aumento mediado pelo aumento nos níveis de insulina que por sua vez ativaria o SREBP-1c. Ainda a elevada síntese de ácidos graxos de novo no tecido adiposo ocorreria pela ação do PPARg, aumento na expressão da LPL e pela supressão do gene da leptina. Conseqüentemente, o potencial de síntese de TAG no tecido adiposo estaria aumentada.
2- Em condições de consumo calórico excessivo, com altas concentrações de carboidratos e uma relativa concentração de AGPI, resultaria em um armazenamento dos ácidos graxos derivados da dieta e dos carboidratos
pelo tecido adiposo pela síntese de novo de ácidos graxos. Tal efeito resultaria em uma inibição hepática e estimulação da lipogênese no tecido adiposo em conjunto com a inibição da oxidação de ácidos graxos. Consequentemente, as concentrações de Malonil-Coa ( inibidor direto da ação do sistema CPT) aumentaria, juntamente com os níveis de SCD já discutidos anteriormente.
3- Em condições de alto consumo de ácidos graxos e baixo consumo de carboidratos, porem excedendo quantidade de energia diária consumida, postula-se que a concentração de PPARg aumentaria pela presença dos AGPI na dieta. Tal processo seria revertido sob condição de um balanço energético neutro e/ou negativo, embora o mecanismo detalhado de “substituição” da ação do PPARg (lipogênico), pela ação do PPARa (lipolítico) não seja ainda bem esclarecido. Porem sugere-se que exista uma ligação entre a SCD e ação de proteínas quinases, já que a diminuição da ação da SCD culminaria com o aumento do processo de fosforilação, e conseqüente diminuição na ação da enzima ACC (Acetil-Coa Carboixilase). Tal enzima tem como função estimular a produção de Malonil-Coa. Portanto o resultante seria uma diminuição dos níveis de Malonil-Coa e um conseqüente aumento na ação do sistema CPT, aumentando assim o processo de transporte e oxidação de ácidos graxos. Contudo, tal mecanismo ainda necessita de maiores esclarecimentos.
ADIPOCINAS
Como já descrito anteriormente, o tecido adiposo não pode ser apenas considerado apenas um tecido passivo, simplesmente responsável pelo controle da liberação e captação de ácidos graxos. Ele vem sendo descrito atualmente como um tecido metabolicamente e endocrinamente ativo que influencia o metabolismo por modular e expressão de diversos genes em diferentes tecidos através da secreção de diversos hormônios, sinalizadores e fatores de transcrição que coletivamente são conhecidos como adipocinas.
Entre tais moléculas encontramos a leptina, TNFa, resistina, adiponectina e algumas interleucinas como a IL-1 e IL-6. O papel de tais moléculas vem sendo estudado por vários pesquisadores, bem como a modulação de sua
secreção em diversas situações de distúrbios metabólicos. A seguir faremos uma breve descrição do seu papel no metabolismo de lipídios e no estado de resistência a insulina.
Leptina: O papel da Leptina vem sendo descrito por
vários estudos desde sua descoberta na década passada. Tal molécula e considerada chave no controle do peso corporal e no metabolismo de lipídios como um todo, uma vez que evidencias sugerem que ratos que apresentam deficiência de leptina (gene ob/ob) ou ainda deficiência em seu receptor apresentam tais distúrbios.
A leptina controla o comportamento de ingesta alimentar, bem como o gasto energético, porém está também implicada em outros processos como resposta imunológica e inflamação. Ela também tem efeitos diretos em tecidos como fígado e músculo estriado esquelético. Seu papel fisiológico para esta adipocina seria a proteção de adipócitos contra a esteatose e lipotoxicidade, prevenindo a lipogênese excessiva pelo aumento da oxidação de ácidos graxos após um consumo excessivo de calorias. Os efeitos da leptina na pratica de exercícios é muito importante será discutido separadamente ainda nesse capítulo.
TNFa: O TNFa é uma citocina expressa em adipócitos e
tem papel fundamental no desenvolvimento de desordens no metabolismo lipídico. Ele é uma citocina que regula a expressão de genes ligados ao metabolismo lipídico no adipócito. Ele ainda reduz a fosforilação do receptor de insulina em vários tipos de células.
Os modelos de mutação genética utilizados para estudo do TNFa são um tanto quanto complexos. Ratos com “Knock-out”de TNFa são normais, porem desenvolvem obesidade através de uma dieta com alta concentração de lipídios, sendo ainda mais sensíveis a ação da insulina. Ratos com deficiência no receptor de TNFa (TNFR1) curiosamente apresentam aumento na concentração de GLUT4 no músculo de uma dieta que induz o quadro de obesidade em comparação a ratos com peso normal, aumentando a especulação de suas funções no quadro de resistência a insulina. Porem devemos ser cautelosos ao caracterizar as funções exatas do TNFa, uma vez que em estudos com humanos já que os estudos realizados mostram que uma super expressão de TNFa apenas
aparece em casos de obesidade extrema ou mórbida e não nas fases iniciais do processo. Portanto, mais estudos são necessários para de fato consumar a função do TNFa mo metabolismo lipídico, bem como no quadro de resistência a insulina.
Adiponectina: Outra adipocina chave na compreensão
de desordens ligadas ao metabolismo de lipídios. Tal citocina apresenta efeitos evidentes nas células musculares onde induz a oxidação de ácidos graxos. Ratos “Knock-out”de adiponectina desenvolvem resistência a insulina e paralelamente uma redução do transporte de ácidos graxos no músculo esquelético. De fato, sua expressão esta diminuída em modelos de animais com resistência a insulina. Além disso, a adiponectina induz diferentes tipos de UCPs no tecido adiposo marrom e branco. Em Humanos, a adiponectina também reduz os níveis de resistência à insulina e auxilia no controle da obesidade. Adicionalmente, a adiponectina vem sendo associada recentemente ao processo de resistência a insulina e lipodistrifia em pacientes portadores de HIV. Alem disso, sua expressão parece estar regulada negativamente pela ação do TNFa e IL-6, moléculas estas altamente expressas no tecido adiposo em condições de obesidade e resistência insulina.
IL-6: Citocina classificada inicialmente como
pro-inflamatória quando esta é produzida pelo tecido adiposo, participando diretamente no processo de resistência a insulina. Contudo, ela também esta expressa em miócitos durante a prática de exercícios. Aparentemente, em tal situação fisiológica, sua função seria não mais pro e sim antiinflamatória (54). De fato a IL-6 é um agente lipolítico no tecido adiposo,enquanto estimula também a proliferação de mioblastos, apresentando-se como um forte candidato para explicar os efeitos benéficos da pratica de exercícios. Além disso, durante a prática de exercícios, a IL-6 aparece na circulação sistêmica juntamente com outras citocinas antiinflamatórias tais como, IL-1ra e IL-10, aparentemente inibindo a ação do TNFa (citocina pro - inflamatória já discutida anteriormente).
Portanto, no músculo esquelético, a produção de IL-6 pode estar associada com a prática de exercícios, atuando endocrinamente e participando ainda na regulação da liberação de ácidos graxos pelo tecido adiposo para
a oxidação no músculo esquelético, ativando assim, o processo de lipólise (Figura 10).
Figura 10: Interrelacao metabólica entre tecido adiposo e músculo esquelético. Possível via de atuação das Adipocinas. (Retirado de Lopez-Soriano et al., 2006)
Miostatina: Citocina pertencente à família
dos TGF-b ( do inglês Transforming growth factor), responsável por controlar negativamente a proliferação de células musculares. Estudos realizados com ratos “Knock-out” de miostatina, de fato, apresentam aumento substancial na massa muscular, pelo aumento da miogênese e conseqüente redução no processo de adipogênese. Dessa maneira, possíveis efeitos da miostatina em células pré-adiposas vêm sendo reportados, juntamente com a redução na expressão de diversos marcadores no processo de diferenciação de adipócitos como o PPARg. Estudos realizados com bois apresentaram resultados impressionantes. O volume de massa muscular estava intensamente aumentado e os mesmo animais apresentaram diminuição no conteúdo de gordura corporal,
reforçando o supracitado . Concluindo, o fato de o
tecido adiposo e o músculo esquelético serem capazes de secretar moléculas que os afetam mutuamente, abre uma discussão e sugere novos questionamentos. Possivelmente, tal regulação pode promover diversos efeitos metabólicos e fisiológicos importantes na regulação do metabolismo lipídico. Além disso, a pratica de exercícios regulares se
mostra fundamental na regulação desses processos, bem como a biodisponibilidade dos alimentos, principalmente carboidratos e lipídios de origem insaturadas.
LEPTINA E EXERCÍCIO
O gene da leptina (ob/ob) foi descoberto em 1994. Tal proteína apresenta estrutura similar as citocinas e uma massa relativa de 16kDA. O tecido adiposo é o local de maior expressão de leptina, porém, outros locais como o músculo esquelético, placenta e cérebro também foram identificados.
O receptor de leptina é também membro da família de receptores de citocinas e esta expresso em uma variedade de tecidos incluindo o Hipotálamo, local onde se inicia a sinalização no controle da saciedade e da ingesta alimentar. No hipotálamo existem locais que são sensíveis a sinalização por neuropeptídeos/neurotransmissores regulados pela secreção de leptina. Dessa maneira, mutações no receptor de leptina causa obesidade em animais, sendo que tal processo pode ocorrer também em humanos, embora seja muito raro.
O controle da secreção expressão de leptina pela dieta vem sendo sugerido como parcialmente regulado pela ação da insulina. Estudos apontam que a expressão aumentada de leptina ocorre principalmente após a elevação dos níveis de insulina em resposta a ingesta alimentar, senso o declínio dos níveis de leptina associados ao quadro de restrição alimentar.
Existem vários estudos relacionando os efeitos da leptina na prática de exercícios, existindo varias razoes pelas quais a leptina poderia responder a tal estímulo.
O exercício é conhecido pela sua efetividade na redução da massa adiposa, desta maneira, os níveis de leptina seriam afetados. Isto explicaria o fato de como o exercício afeta a obesidade através do gasto calórico, levando a um balanço energético neutro ou negativo.
De fato, o exercício agudo influencia os níveis de leptina negativamente, sugerindo que tal declínio esteja associado com a elevada produção de ácidos não esterificados
durante o exercício, e que estes podem modular a expressão gênica da leptina negativamente.
O treinamento crônico por sua vez influenciaria os níveis de leptina através da associação da redução dos níveis de colesterol e TAG circulantes promovidas pelo treinamento, nos níveis de leptina. Dessa maneira, favorecendo o controle da ingesta e consequentemente do peso corporal. (34) (Figura 11)
Figura 11: Oxidação versus armazenamento de ácidos graxos no organismo. Mecanismo de regulação pelos PPARs no controle da secreção de Leptina (Retirado de Jeffcoat 2007)
Mecanismos de controle molecular
na biogênese mitocondrial: efeitos da
intensidade do treinamento.
A mitocôndria é a organela celular responsável pela respiração celular, no interior das mitocôndrias ocorrem os processos de transferência de energia dependentes de oxigênio (O2), a organela é um efetivo coletor de oxigênio permitindo que o organismo utilize o oxigênio disponível. A membrana mitocondrial libera dióxido de carbono (CO2) que é o principal determinante da respiração celular durante um exercício de esforço máximo. A quantidade de mitocôndrias no músculo esquelético está altamente relacionada com a capacidade máxima de realização de trabalho. Fatores de transcrição e coativadores de tradução são importantes reguladores da biogênese mitocondrial (aumento no volume e quantidade de mitocôndrias).
O exercício físico provoca alterações na homeostase corporal que integrada a alterações na expressão de genes nucleares estimulam uma maior tradução e codificação
de proteínas. O aumento na expressão de genes de transcrição é proporcional ao aumento na densidade e volume mitocondrial bem como na atividade de enzimas oxidativas e capacidade máxima oxidativa promovendo a biogênese mitocondrial.
A hipóxia local expressa no treinamento de endurance tem demonstrado ser um fator importante para melhora na plasticidade muscular e proliferação mitocondrial, a hipoxia é provocada pela redução na concentração de oxigênio no músculo. Estudos mostram que a hipoxia induzida provoca diminuição na oxidação de ácidos graxos e aumento na via glicolítica durante o exercício. Contudo no período de pós-exercício o nível de fatores de transcrição de transporte de ácidos graxos está aumentado, o que auxilia na oxidação de gordura e conseqüente diminuição no peso.
O treinamento de alta intensidade induzindo a hipoxia mostrou um aumento no volume mitocondrial, densidade do comprimento capilar e capacidade oxidativa mitocondrial. O RNAm do fator de transcrição HIF-1α (hypoxia-inducible factor 1α) que regula a expressão de genes envolvidos na resposta a hipoxia mostrou-se aumentado após um treinamento intenso em condições de hipoxia.
O treinamento de endurance realizado durante seis semanas provoca um aumento de 50%-100% no conteúdo protéico mitocondrial, porém o turnover de proteínas tem uma meia vida de 5-7 dias. Estímulos repetidos são necessários para manter elevado o conteúdo mitocondrial.
Atletas praticantes de treinamento de endurance apresentam um aumento na densidade mitocondrial, fatores de respiração mitocondrial e na capacidade máxima oxidativa em virtude dos níveis de fatores de transcrição envolvidos na metabolização de ácidos graxos e regulação do metabolismo oxidativo, por exemplo: COX1 (cytochrome c oxidase subunit I) componente importante na cadeia respiratória.
O treinamento de alta intensidade é um potente indutor da biogênese mitocondrial (aumento no volume e quantidade de mitocôndrias). Fatores de sinalização como AMPK (AMP-activated protein kinase), p38 MAPK (mitogen-activated protein kinase) e PGC - 1α (peroxisome proliferator-activated receptor y coactivator
1α) estimulam a expressão de proteínas mitocondriais e estão aumentados após uma sessão de exercício, quanto mais elevada a intensidade do exercício maior será a expressão dessas proteínas. O PGC - 1α bem como o PGC - 1β são coativadores de transcrição que interagem diretamente com fatores de transcrição, regulando a expressão e codificação de proteínas mitocondriais e estão muito expressos em tecidos dependentes do metabolismo aeróbio como: fígado, músculo esquelético e tecido adiposo marrom.
CnA (calcineurin); NFAT (nuclear factor of activated T-cells); p38γ (mitogen-activated protein kinase γ); PGC - 1α (peroxisome proliferator-activated receptor y coactivator 1α).
A PGC - 1α media os efeitos da biogênese mitocondrial através da ativação de fatores de transcrição como: NRF-1 e 2 (nuclear respiratory factor – NRF-1 e 2) que se ligam a promotores e ativam a transcrição de genes que codificam proteínas da cadeia respiratória mitocondrial e estão envolvidos na expressão de fatores mitocondriais de transcrição e tradução. O NRF-1 ativa a expressão de genes nucleares que codificam o TFAM (mitochondrial transcription factor A), que se move para a mitocôndria onde regula a transcrição do DNA mitocondrial.
A enzima p38 MAPK fosforila e ativa a PGC - 1α no citosol que após essa ativação passa para o núcleo celular. Estudos mostram que no início do exercício já existe um aumento da atividade da p38 MAPK, transcrição e expressão de PGC - 1α bem como na expressão do RNAm.
Patti (2003) relata que em estudos realizados com indivíduos pré-diabéticos e diabéticos, os mesmos apresentaram uma diminuição da expressão e fosforilação de genes oxidativos, que são regulados pela atividade transcricional de NRF1 que também está diminuída, bem como de PGC - 1α mediador do PPAR. O que acarreta no
comprometimento da atividade mitocondrial e contribui para alterações nas características do metabolismo de glicose e ácidos graxos como: diminuição na oxidação de ácidos graxos, aumento na reesterificação de lipídios e posterior acúmulo no músculo esquelético e resistência a insulina.
A atividade da p38 MAPK exerce um papel muito importante no metabolismo da glicose, no dispêndio energético e nas mudanças do trabalho contrátil. Esse processo no músculo esquelético é mediado pela expressão e atividade da PGC - 1α. A enzima estimula fatores de transcrição da PGC - 1α tal como MEF2 (myocyte enhancer factor 2). O eixo p38 MAPK-PGC - 1α parece ser um possível mecanismo para adaptações no músculo esquelético em exercícios de endurance de intensidade elevada.
O treinamento de endurance induz um aumento na concentração de AMP no músculo e de acordo com a intensidade essa concentração é aumentada. O AMP ativa AMPK através de mecanismos alostéricos. O AMPK funciona como um regulador na oxidação de ácidos graxos em resposta a demanda energética e a diminuição das concentrações energéticas. Diante disso quanto maior a demanda energética durante e após o exercício que está diretamente relacionada à intensidade do exercício, maior será a expressão da via de AMPK. Durante o exercício a demanda de ATP é aumentada em virtude da contração dos sarcômeros e ativação da bomba de cálcio no retículo sarcoplasmático. AMPK promove a oxidação de ácidos graxos durante o exercício físico através da fosforilação de ACC2 (acetil-CoA carboxilase-2) e inibição de malonil-CoA. Dentro do complexo AMPK existem duas subunidades: α1-AMPK e α2-AMPK, em estudos realizados com humanos foram identificados que a sensibilidade e a ativação de α2-AMPK no núcleo celular são maiores quando comparada a α1-AMPK. Após uma sessão de treino realizado em humanos viu-se um aumento no conteúdo de α2-AMPK no núcleo celular. Estudos realizados com modelos animais mostram um aumento mais expressivo em α1-AMPK durante a realização de um treinamento de endurance. A enzima CaMK (calcium/calmodulin-dependent protein kinase) fosforila AMPK, a via de sinalização do cálcio desempenha um papel importante na ativação da AMPK no músculo esquelético durante o exercício. O glicogênio
muscular tem um papel contrário sendo um potente inibidor da sinalização da AMPK, estudos mostram uma relação inversa entre o conteúdo de glicogênio muscular e a atividade de AMPK .
Ativação de AMPK por AICAR (aminoimidazole-4-carboxymide-1-β-D-ribofuranoside) e contração muscular resulta no aumento da fosforilação de ACC e redução na concentração de malonil-CoA, potente inibidor de CPT-1 e reforçando o fluxo de ácidos graxos acil-CoA para o interior da mitocôndria. Outro fator importante na oxidação de ácidos graxos é a regulação na translocação de FACD36 (fatty acid translocase CD36), que é aumentada pela ação de AMPK. Em indivíduos obesos ocorre uma redução da atividade de AMPK no músculo esquelético e fosforilação de ACC acompanhando o aumento nos níveis de malonil-CoA, o que contribuiria com o acúmulo de lípidios intramuscular. Estudos com humanos utilizam a ACC como marcador da atividade de AMPK, visto que o aumento de AMPK está associado à fosforilação de ACC (DZAMKO, 2008; JORGENSEN, 2007; JORGENSEN, 2007b; BOLSTER, 2002).
Segundo Jorgensen (2007); Jorgensen (2007b) a ativação de AMPK por AICAR ou β-GPA (creatine analog β-guanadinopropionic acid) provoca um aumento na transcrição de genes metabólicos e expressão de enzimas metabólicas que atuam no controle da densidade e conteúdo mitocondrial como: PGC-1α, NRF-1. Estudos que realizaram uma indução farmacológica de AMPK relatam o aumento na regulação de PGC-1α, fator importante na modulação da transcrição nuclear, nas adaptações da oxidação de ácidos graxos e na função mitocondrial durante o exercício.
PI3-K (phosphatidylinositol-3-kinase); AKT (serine/threonine kinase); TSC1/2 (tuberous sclerosis complex); mTOR (mammalian target of rapamycin); 4E-BP1 (eIF4E-binding protein); p70S6K (ribosomal protein S6 kinase); EIF4E (eukaryotic initiation factor 4E); AMPK (AMP-activated
protein kinase); Ca2+ (calcium); p38MAPK (mitogen-activated protein
kinase); CaMK (calcium/calmodulin-dependent protein kinase); PGC – 1 (peroxisome proliferator-activated receptor y coactivator 1).
A angiogênese (aumento no número de vasos sanguíneos) induzida pela hipoxia está sob controle da PGC - 1α através da regulação da expressão gênica da VEGF (vascular endothelial growth factor). O exercício de alta intensidade em condições de hipoxia mostra um aumento da expressão no RNAm do VEGF. Estudos relatam que a expressão gênica da proteína VEGF precede a angiogênese, visto que a angiogênese se inicia após o aumento da concentração da VEGF.
Estudo realizado com indivíduos destreinados mostra que uma sessão aguda de exercício aeróbio intenso e prolongado provoca adaptações transitórias na expressão de genes envolvidos na biogênese mitocondrial (TFAM, PGC - 1α) e na angiogênese (VEGF).
Em estudo realizado com indivíduos previamente destreinados que realizaram um programa de exercício de endurance por seis semanas, freqüência de cinco dias por semana com intensidade moderada a alta (65% do
VO2pico), após o treinamento viu-se um aumento no
conteúdo mitocondrial, densidade capilar, bem como em genes envolvidos no metabolismo oxidativo (FAT, CPT1). Isso mostra que o exercício de endurance de intensidade moderada a intensa é um potente indutor no emagrecimento.
Hoppeler and Flück (2003), Wittwer (2004), Schmutz (2006) relatam que um treinamento de endurance de alta intensidade realizado por algumas semanas provoca aumento de até 50% do volume mitocondrial no músculo
esquelético em indivíduos destreinados. Fatores de transcrição como NRF-1 e 2 e TFAM liberados durante e pós-exercício treinamento de endurance estimulam a expressão de proteínas mitocondriais envolvidas na beta-oxidação e cadeia respiratória.
A ativação da enzima PDK4 entre outros fatores como
aumento mitocondrial de acetil-CoA/Coa e NADH/NAD+
(via β-oxidação mitocondrial) inibem a PDC (pyruvate dehydrogenase complex), complexo importante para a degradação e utilização da glicose.
T3 (triiodothyronine level); TR (thioredoxin-disulfide reductase); AMP/ ATP; AMPK (AMP-activated protein kinase); FFA (free fatty acid); PPAR (peroxisome proliferator-activated receptors); NRF-1 (nuclear
respiratory factor – 1); Ca2+ (calcium); CaM (calmodulin); CaMK II
(calcium/calmodulin-dependent protein kinase II); PGC – 1 (peroxisome proliferator-activated receptor y coactivator 1).
A ativação do processo de transcrição dos genes de proteínas ligadas ao metabolismo pelo treinamento de força que por si justifica a alta intensidade ocorre principalmente no pós-exercício, genes tais como do complexo CPT (carnitina palmitoil transferase), responsável pelo transporte de ácidos graxos para o ambiente interno da mitocôndria e, portanto chave na oxidação de lipídios, tiveram sua expressão de RNAm aumentada em duas vezes se comparado a sua concentração pré-exercício demonstrando a real efetividade deste tipo de treinamento na modulação do metabolismo lipídico. Além disso, enzimas tais como PDK4 (piruvato desidrogenase quinase 4) HKII (hexoquinase II) GYS (glicogenio sintase) apresentaram aumento significativo na expressão de seus respectivos RNAm 2 horas após o término da mesma atividade, confirmando uma clara modulação positiva
dos mecanismos moleculares envolvidos no metabolismo lipídico demonstrado pela modulação do sistema CPT.
PPAR E EMAGRECIMENTO
Os PPARs α, β/δ e γ (peroxisome proliferator-activated receptors) são receptores nucleares responsáveis por mediar às respostas metabólicas adaptativas que auxiliam no aumento da disponibilidade de lipídios, bem como a oxidação da gordura do tecido adiposo. PPARγ promove o armazenamento de lipídios no tecido adiposo branco, isto aumenta a capacidade desse tecido em proporcionar mudanças no perfil lipídico plasmático. É um fator de transcrição importante na regulação da adipogênese e diferenciação nos adipócitos. PPARα são mais expressos em tecidos com alta capacidade de oxidação de ácidos graxos.
A via do PPAR é vista como o melhor caminho na integração entre o estímulo do exercício físico e as adaptações no metabolismo oxidativo.
Adaptações moleculares induzidas pelo
treinamento de força.
As proteínas miofibrilares representam cerca de 85% do volume da fibra, situações que provoquem alterações na relação síntese/degradação dessas proteínas contribuem para hipertrofia, atrofia e aumento da força muscular. Estudos realizados com modelo humano e animal mostram um aumento na expressão gênica de proteínas após uma sessão aguda de exercícios de resistência muscular. O aumento na síntese protéica tem sido encontrado em fibras de contração rápida e lenta e em exercício realizados de forma concêntrica, excêntrica e isométrica.
A expressão gênica no músculo esquelético é regulada pelo conteúdo do gene presente no núcleo, transcrição e tradução (mecanismos pré-traducionais, traducionais e pós-traducionais) dos genes do músculo e degradação protéica muscular. Esses fatores sofrem alterações com o exercício físico, essas alterações são aumentadas concomitantemente com a intensidade do treinamento.
O treinamento de força deve ser capaz de promover microlesões que estimulem as células satélites a se incorporarem a um núcleo provocando a regeneração muscular, a atividade dessas células é fundamental para o ganho de massa muscular em função da adição de novos núcleos. As células satélites são ativadas por fatores de crescimento como: IGF-1 (insulin growth factor), MGF (mechano-growth factor), HGF (hepatocyte growth factor) e miostatina. O conteúdo de RNAm e proteína IGF-1 precedem o aumento no conteúdo de DNA em resposta a sobrecarga muscular. O stress mecânico induz a ativação de HGF que por sua vez estimula o RNAm de MGF. Esses fatores estimulam a ativação das células satélites e conseqüente hipertrofia muscular e são dependentes da intensidade do estímulo, quanto maior a intensidade, mais ativada estará à expressão das proteínas. Entretanto a miostatina é um fator negativo para a hipertrofia muscular, sua ativação provoca repressão nas células satélites e na regeneração muscular.
IGF-1 (insulin growth factor); Akt (serine/threonine kinase); Foxo (transcription factor protein); PGC - 1α (peroxisome proliferator-activated receptor y coactivator 1α); 4E-BP1 (eIF4E-binding protein).
TSC2 (tuberous sclerosis complex) e mTOR (mammalian target of rapamycin) são vias de sinalização intracelular que regulam a hipertrofia do músculo esquelético através de um aumento na síntese protéica, que estão diretamente ligadas a um aumento no gasto energético total. Inicialmente ocorre a ativação de PI3K (phosphatidylinositol-3-kinase) resultando na fosforilação de PIP2 (phosphatidylinositol-biphosphate) em PIP3 (phosphatidylinositol-triphosphate). Após um treinamento de força muscular a enzima PI3K está aumentada.
Posteriormente Akt (serine/threonine kinase) é fosforilada por PDK (phosphoinositide-dependent protein kinase) e ativada após a passagem pela membrana. Akt
fosforila o complexo TSC1/TSC2, levando a liberação de Rheb (Ras homologue enriched in brain) que ativa mTOR. A via da mTOR estimula a biogênese de ribossomos e o início da tradução de RNAm. A sinalização dessa via participa do processo anabólico após uma sessão aguda ou crônica de exercícios de resistência.
As proteínas mais expressas por essa via de sinalização são fundamentais no controle da tradução: p70S6K (ribosomal protein S6 kinase) e 4E-BP1 (eIF4E-binding protein). Essas proteínas regulam numerosas funções celulares incluindo tamanho da célula e síntese protéica. Estudo realizado com modelo animal durante seis semanas de treinamento de resistência apresentou-se uma grande associação entre aumento na atividade da p70S6K e hipertrofia do músculo esquelético.
Sabe-se que a via da mTOR é ativada durante e após uma série de exercícios de resistência, estando associado a um aumento na taxa de síntese protéica.Contudo essa ativação varia de acordo com o número de repetições, intensidade e diferenças no tipo de contração (concêntrica e excêntrica).
A suplementação com aminoácidos essenciais, particularmente a leucina, também tem sido relacionada com a ativação da vvia da mTOR. Mais recentemente verificou-se que os aminoácidos essenciais via PIK3, porém o mecanismo exato ainda não fora elucidado. Contudo, a ativação da via da mTOR se da não apena pela ingestão de aminoácidos. Aparentemente o consumo de ambos aminoácidos e carboidratos contribuem através da via da insulina (PIK3-Akt-TSC2), bem como através de via independentes de aminoácidos. Dreyer et al., 2007 observaram que o consumo de uma solução de carboidratos+leucina foi capaz de aumentar a síntese protéica em aproximadamente 100%, estando este estado associado com o aumento na fosforilação e conseqüente ativação de ambas AkT e mTOR , bem como a fosforilação de componentes “downstream” SK61 e 4E-BP1, indicando que o processo de tradução também foi iniciado.
Ainda, o consumo de nutrientes pós-exercícios na forma de amioácidos isolados ou em combinação com carboidratos apresenta um claro aumento na síntese protéica muscular em relação aquela mensurada a partir do exercício por si só.
A repressão da síntese proteíca através da via de AMPK está associada com a diminuição da sinalização da proteína quinase mTOR. O mecanismo pelo qual a AMPK atua na síntese proteíca parece envolver vias que regulam o processo de tradução ribossomal. Ativação de AMPK inibe diretamente o início da tradução de RNAm via mTOR e síntese proteíca no músculo esquelético. A proteína mTOR atua como um ponto de sinalização para fatores de crescimento bem como na fosforilação de algumas proteínas que desempenham papel importante na regulação da fase inicial de tradução como: 4E-BP1 (4E-binding protein) e S6K1. As modulações dos eventos de início dos processos traducionais controlam a síntese proteíca.
Os ácidos graxos livres (AGL) exercem um papel importante na modulação do início da tradução de RNAm em músculos principalmente compostos de fibras oxidativas. Estudos mostram uma estreita relação entre diminuição na concentração de AGL e redução no processo traducional no músculo esquelético e no coração.
O tratamento farmacológico com AICAR provoca um aumento na AMPK e conseqüente diminuição de 55% na síntese proteíca. Essa diminuição parece estar relacionada com o aumento na α2-AMPK. A regulação dos fatores eIF2 (eukaryotic initiation factors) e S6K1 (70-kDa ribosomal protein S6 kinase) são importantes para o início da tradução na síntese proteíca, o estudo mostra uma redução de 80% na fosforilação de eIF2, entretanto na ativação da enzima não houve alteração. Mudanças na fosforilação de S6K1 diminuem a atividade de mTOR no músculo esquelético.
O exercício de endurance está relacionado com a diminuição da síntese proteíca e conseqüente inibição da sinalização de mTOR no fígado. Essa inibição pode ocorrer através de estimulação de alguns hormônios durante o treinamento, a insulina plasmática parece estar diminuída enquanto os glicocorticóides apresentam concentrações mais elevadas.
