Regulação metabólica e equilíbrio energético. Na + Na + K + Ca + Ca + Semelhanças

Regulação metabólica e

equilíbrio energético

Laboratório de Bioquímica da Faculdade de Medicina do Porto

Semelhanças

1- Usam a oxidação de compostos orgânicos como fonte de energia. 2- A velocidade de oxidação dos compostos orgânicos aumenta com o exercício.

Uma diferença óbvia

Os seres vivos não têm chave de ignição: continuam “a gastar gasolina” (a oxidar nutrientes) mesmo quando estão parados.

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)

.

Como medi-la? 70 Kg O2 consumido ≈ 16 moles / dia (350 L) Calor libertado ≈ 1700 Kcal/dia

Porque é que, ao contrário do automóvel, o ser vivo continua a libertar calor e a consumir O₂quando está parado?

Mesmo em repouso, os órgãos continuam activos ocorrendo processos cíclicos cujo somatório é a hidrólise de ATP. Um exemplo é o transporte de iões.

Na

+

Na+

K

+

K+

Ca

+

Ca+

Na

+

Na+

K

+

K+

Ca

+

Ca+ ATP + H2O ADP + Pi ATP + H2O ADP + Pi No final do ciclo as concentrações dos iões

mantiveram-se constantes mas... ocorreu hidrólise de ATP

(acção da Na+_/K+_{ATPase e Ca}2+_ATPases).

⇒

Uma das consequências da entrada de Na+_{e Ca}2+ _para dentro das células é facilmente observada nos casos do

coração e

diafragma.

Mesmo quando o indivíduo está em repouso,

continuam a contrair-se e a relaxar-se ritmicamente.

Neste processo mecânico participa a

ATPase da actina-miosinaque gasta ATP.

Outros processos cíclicos cujo somatório é a hidrólise de ATP são a degradação e síntese proteica e

a degradação e síntese de ácidos nucleicos. H2O Protéases e peptídases _{ATP + H} 2O AMP + 2Pi 2 GTP + 2 H2O 2 GDP + 2Pi 2 ATP 2 ADP RNAm nucleotídeos nucleosídeos H2O H2O Pi nucleosídeos NTP RNAm 3ATP Cínases Polimérase do RNA

[glicose]

_plasma

≈ 5 mM

alanina CO₂ CO2 6 ATP

A BMR é medida quando o indivíduo está em jejum há 10-18 h. Nessas condições o cérebro e outros órgãos consomem glicose mas, apesar desse consumo, a concentração de glicose

sanguínea mantém-se normal...

A glicemia mantém-se normal porque está activa a

gliconeogénese.

Na gliconeogénese consome-se ATP: se se considerar o

substrato alanina, 6 ATPs por mole de glicose formada.

Se os processos anabólicos e catabólicos de uma mesma substância ocorrem ao mesmo tempo cria-se um “ciclo fútil” (substrate cicling) em que o único resultado é gastar-se ATP.

A + ATP → ADP + A-P A-P + H2O → A + Pi

Existe ciclo fútil no fígado nos casos dos pares de enzimas:

cínase da glicose / glicose-6-fosfátase e cínase da frutose-6-fosfato / fosfátase da frutose-1,6-bisfosfato Glicose Glicose-6-P Frutose-6-P Frutose-1,6-bisP ADP H2O Pi ATP H2O Pi ATP ADP

3 H₂O

alanina glicerol-3-P

2 ATP

No tecido adiposo também existe um “ciclo fútil” de lipólise e esterificação e, em jejum, está activa a gliceroneogénese. A gliceroneogénese e a esterificação consomem ATP.

gliceroneogénese 6 ATP esterificação ácidos gordos glicerol triacilgliceróis

A síntese de ureia também está activa nas condições em que se mede a BMR e também consome ATP.

NH₄+ aspartato fumarato UREIA carbamil-fosfato 2 ATP 2 ATP

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 actina-miosina. ADP + Pi transporte activo síntese proteica trabalho mecânico Na+ Ca2+ outros Estima-se que nas condições BMR um indivíduo adulto de 70 Kg hidrolise 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%

5%

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

0,04 mol ATP / min ≈ 0,008 mol O2 consumido na cadeia respiratória / min (180 mL/min).

Admitindo que se formam cerca de 2,5 ATPs por átomo de oxigénio consumido (P:O = 2,5 ⇔ P:O2 = 5)

a velocidade de 0,04 moles de ATP / min⇔ 0,008 moles de O2consumido / min. Na+

Ca2+

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

I II-FAD III IV dG3P-FAD Q cyt c NADH NAD+ 4 H+ _{2 H}+ _{4 H}+ O _H 2O V Simp. Pi 10 H+ 2,5 ADP + 2,5 Pi 2,5 ATP II-FAD III IV dG3P-FAD Q cyt c V fumarato Simp. Pi 2 H+ _{4 H}+ succinato 6 H+ O _H 2O 1,5 ADP + 1,5 Pi 1,5 ATP Glicerol-3-P Dihidroxi-acetona-P

Se acoplagem perfeita: oxidação de 1 NADH por 1 O = 2,5 ATP

Se acoplagem perfeita: oxidação de 1 FADH₂por 1 O = 1,5 ATP

matriz matriz glicose 2 piruvato 2 acetil-CoA 4 CO2 2 piruvato 2 CO2 I _II III IV dG3P Q cyt c V 2 ATP 2 ATP 6 NAD+ 6 NADH 2 NAD+ 2 NADH 2 FAD 2 FADH2 2 NAD+ 2 NADH

6 O

₂ H2O ADP+Pi 26 ATP 28 ATP

Se houver acoplagem perfeita entre oxidação e fosforilação, na oxidação de um mole de glicose podem formar-se

(1) admitindo a “lançadeira do malato” = 32 ATPs (28+4)

(2) admitindo a “lançadeira do glicerol-3-P” = 30 ATPs (26+4) 6 moles de O₂⇒ 30-32 ATPs ≈ 5 ATPs / mole O₂ nutrientes

O

₂ ADP+ Pi CO2+ H2O Na+ Ca2+ 0,04 mol ATP / min ≈ 0,008 mol O2 consumido na cadeia respiratória / min

A oxidação dos nutrientes é um processo exotérmico;

para além de CO₂ e H₂O gera um terceiro produto: calor.

Nas reacções de oxidação dos nutrientes libertam-se cerca de 106 Kcal / mole de O₂consumido.

A BMR pode ser estimada medindo o O2consumido ou o calor libertado porque

existe proporcionalidade (quase perfeita) entre o O2consumido e o calor libertado. 0,85

Kcal/min

O calor libertado num sistema onde ocorrem reacções = 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

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

reacções de oxidação dos nutrientes mas...

... nos ser vivo as

concentrações dos

intermediários, coenzimas, ATP, ADP, Pi, etc. são

estacionárias (quase

não variam). O calor libertado = ∆H das reacções onde ocorreu

consumo efectivo de reagentes e formação efectiva de produtos.

Exemplificando para o caso da oxidação do palmitato.

palmitato + 23O₂+ 106ADP + 106Pi → 16CO₂+ 16H₂O +106ATP +106H₂O+ 1866 Kcal

O processo de oxidação do palmitato 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... 106 ATP + 106 H₂O →106 ADP + 106 Pi + 530 Kcal palmitato + 23 O₂ → 16 CO₂+ 16 H₂O + 2396 Kcal

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

palmitato + 23 O2 → 16 CO2+ 16 H2O + 2396 Kcal

Que acontece à despesa energética quando um indivíduo aumenta a sua actividade física?

O₂consumido >> 16 moles / dia (>> 350 L) Calor libertado >> 1700 Kcal/dia

A maioria dos indivíduos têm uma taxa metabólica máxima (máximo esforço físico durante um período curto de tempo) que é ≈ 10 x BMR.

A despesa energética tem assim um 2º componente: despesa energética = BMR

+ despesa energética associada à actividade física voluntária

nutrientes

O

₂

ADP

₊

Pi

CO

₂

+ H

₂

O

0,04 mol ATP / min ≈ 0,008 mol O2 consumido na cadeia respiratória / min Na+ Ca2+

O esforço físico provoca aumento das actividades da ATPase da actina-miosina e das ATPases do Na+_/K+_{e do Ca}2+_.

0,40 mol

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 actividade física?

Chance e Williams (1955) JBC 217:383

Um automóvel aumenta de velocidade quando aumentamos a velocidade com

que a gasolina é injectada 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 (ADP = acelerador).

I II-FAD III IV dG3P-FAD Q cyt c NADH

_NAD

+ H+ _H+ _H+ O _H 2O V Simp. _Pi H+

↑

ADP

ATP ↓ ⇒ ↑ desidrogénases

Adaptando essa resposta à teoria de Mitchell.

ADP ↑ e ATP ↓ ⇒ ↑ síntase do ATP ⇒

↓ gradiente electroquímico da membrana mitocondrial ⇒ ↑ cadeia respiratória ⇒ ↓ [NADH] e ↑ [NAD+] ⇒

↑ desidrogénases do ciclo de Krebs, glicólise e oxidação em β

Outras observações feitas in

vitro também apontam para

a importância das variações de concentração de ADP, 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 ATP ADP e NAD+ ATP e NADH ADP e NAD+ ATP e NADH ADP e NAD+ ATP e NADH

No entanto, os dados experimentais obtidos in vivo mostram que as concentrações celulares do ADP, ATP, NAD+_{e NADH não}

sofrem variações significativas, mesmo em situações em que

as velocidades do consumo de oxigénio e nutrientes e a velocidade de síntese/hidrólise de ATP

aumentam muitas vezes.

0 1 2 3 4 5 consumo de O2

NADH NAD+ ATP ADP

Controlo Dobutamina Sharma e col. (2005) J Physiol 562: 593 Estudo em porcos. A administração de um agonistaβ aumentava o consumo de O2

pelo coração mas não provocava variação nas concentrações dos metabolitos estudados.

Para explicar esta ausência de variação na concentração do ATP, ADP, NAD+_{e NADH terá de se admitir que algo exterior ao}

sistema estimula as enzimas envolvidas nos processos oxidativos de tal forma que as velocidades são iguais em todos os passos.

NAD+ NADH nutrientes CO₂ O2 H2O H+ _(dentro) H+ _{(fora) ADP+Pi} ATP ATPases Síntase do ATP Cadeia respiratória desidrogénases

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

X

Ainda não se sabe o que é o X;

poderá haver vários X e um deles pode ser o ião Ca2+_.

Adaptado de

Korzeniewski (2006) Am

J Physiol Heart Circ Physiol 291: 1466

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 Ca2+_{move-se para} o citoplasma.

[Ca

2+

_]

_{citoplasmático ↑} 100 vezes (0,1 → 10 µM) ↑

[Ca

2+

_]

_{na matriz da} mitocôndria

Que efeitos provoca o Ca2+ _{na célula?} NAD+ NADH nutrientes CO₂ O2 H2O H+ _(dentro) H+ _{(fora) ADP+Pi} ATP Síntase do ATP Cadeia respiratória desidrogénases

Ca

2+

_{citoplasmático}

ATPases ↑ATPase da actina-miosina ↑ ATPase do Ca2+ ↑ Síntase do ATP ↑ Complexo IV ↑ desidrogénase do glicerol-3-P ↑ desidrogénases do piruvato do isocitrato do α-cetoglutarato

Ca

2+

_{mitocôndrial}

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

O frio provoca ↑ do consumo de O₂(e da produção de calor). A despesa energética tem assim um 3º componente:

despesa energética associada à adaptação ao

frio

.

Trémulo = ↑[Ca2+_]citoplasma que estimula as actividades das ATPases da actina-miosina, Ca2+_e Na+_/K+_. Estimulação do SNSimpático (SNS) –adrenalina e noradrenalina Estimulação do sistema TRF – TSH – ↑ hormonas tiroideias

Desacoplagem (uncoupling) entre fosforilação e oxidação de nutrientes

Desacoplagem entre fosforilação e oxidação =

↑ da vel. da oxidação dos nutrientes (reacções exotérmicas) sem↑ na vel. de síntese/hidrólise de ATP.

nutrientes

O

₂ ADP+ Pi CO2+ H2O Na+ Ca2+ 40 mmol ATP / min

>

0,008 mol O2 consumido na cadeia respiratória / min

>

0,85

Kcal/min

mas se 1 mol O₂consumido ⇔ 5 mol de ATP formado... como é possível aumentar a vel. de consumo de O₂ sem aumentar a vel. de formação de ATP?

I Q III cyt c IV 1 NADH NAD+ 4 H+ _{2 H}+ _{4 H}+ O _H 2O V Simp. _Pi 10 H+ 2,5 ADP + 2,5 Pi 2,5 ATP

Se a acoplagem não é perfeita para manter uma determinada velocidade de síntese de ATP é necessário aumentar a velocidade de oxidação do NADH.

O bebé humano tem tecido adiposo castanho, onde existe termogenina (UCP1) cuja actividade é estimulada pelo SNS.

A UCP1 (Uncoupling Protein 1) é uma proteína da membrana da mitocondria que, como a síntase do ATP, deixa passar H+ _{a favor}

do gradiente mas não sintetiza ATP.

A passagem dos H+_{diminui o gradiente electroquímico}

“facilitando a tarefa” (estimulando) dos complexos I, III e IV.

UCP1 n H+ leak + n/10 NADH + n/10 NADH SNS + n/10 NADH + n/10 NADH

O homem adulto não tem tecido adiposo castanho nem UCP1 mas também tem, no músculo esquelético e cardíaco, mecanismos (leak – “pingar” e slip –

“deslisar”) que podem diminuir a acoplagem oxidação – fosforilação.

I Q III cyt c IV 1 NADH NAD+ 4 H+ _{2 H}+ _{4 H}+ O _H 2O V Simp. _Pi 10 H+ 2,5 ADP + 2,5 Pi 2,5 ATP UCP2 UCP3 I Q III cyt c IV 1 NADH NAD+ 4 H+ _{2 H}+ _{4 H}+_{- n H}+ O _H 2O V Simp. _Pi 10 H+ 2,5 ADP + 2,5 Pi 2,5 ATP leak

slip

SNS SNS + n/10 O n H+ + n/10 O + n/10 NADH + n/10 NAD+

(1) Crê-se que o leak e o slip também existem na ausência de estimulação pelo frio (ou seja, P:O₂< 5, sempre).

(2) Sabe-se que existem enzimas que consomem O₂(oxigénases e oxídases) que não são a oxídase do citocromo c (complexo IV). ⇒ uma parte do calor do calor libertado e do oxigénio consumido em condições de medida da BMR não estão estritamente relacionados com síntese de ATP. Kcal/dia 16 mol de O₂ / dia Calor libertado ou O2 consumido estritamente acoplado com síntese/hidrólise de ATP

Calor ou O2 ⇔ leak, slip

+ oxigénases e oxídases

BMR

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 ↑ do consumo de O₂ (e da produção de calor).

A despesa energética tem assim um 4º componente: efeito termogénico dos nutrientes(ou acção dinâmica específica).

Aumento do consumo de ATP nos processos de armazenamento de glicose (síntese de glicogénio) e gorduras (síntese de

triacilgliceróis).

Estimulação do SNSimpático com aumento do leak (estimulação de UCP2 e UCP3)

Causas mal conhecidas mas possivelmente associadas a...

Um indivíduo está em balanço energético nulo quando não está a emagrecer nem a engordar...

Um indivíduo em

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

energia metabolizável = despesa energética.

(1) BMR (2) despesa associada a actividade física voluntária (3) despesa energética associada à adaptação ao frio

(4) efeito termogénico dos nutrientes

Quando o balanço energético é

negativoos nutrientes ingeridos

não chegam para substituir os que são oxidados ⇒

oxidamos os nossos próprios lipídeos, glicídeos e proteínas.

Quando balanço

energético é positivo

os nutrientes ingeridos são mais do que os que são oxidados ⇒

engordamos (ou no caso das crianças e adolescentes) crescemos.

Bibliografia consultada:

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13. Fontes R. (2002) Notas de termodinâmica química e calorimetria (A energia como um conceito menos intuitivo que o que parece). Disponível em:

http://users.med.up.pt/ruifonte/PDFs/2002-2003/comuns/Notas_de_termodinamica_quimica_e_calorimetria.pdf