Digestão e metabolismo energético dos lipídeos. A oxidação do etanol.

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1 Digestão e metabolismo energético dos lipídeos. A oxidação do etanol. Numa refeição normal a massa de glicídeos pode ser cerca de 10 vezes maior que a glicose livre, mas no caso dos lipídeos pode ser vezes maior que o triacilgliceróis plasmáticos. Em ambos os casos as variações de concentração no plasma de glicose e de triacilgliceróis são amortecidas 70 kg de peso Massa de glicose, triacilgliceróis e aminoácidos livres (não proteicos). rui.fontes@mail.telepac.pt Laboratório de Bioquímica da Faculdade de Medicina do Porto Refeição com 1000 kcal: 48% glicídeos, 36% de lipídeos e 16% de proteínas (% em valor calórico) porque fazemos reservas, as variações na glicemia e nos TAG plasmáticos são relativamente modestas. As nossas reservas energéticas glicídicas são muito modestas: usado como único nutriente o glicogénio do organismo esgotar-se-ia em menos de 1 dia: 450 g x 4,1 kcal/g 1850 kcal < 2400 kcal (despesa energética diária num adulto sedentário) 70 kg de peso Usados como único nutriente os triacilgliceróis das reservas poderiam sustentar a despesa energética durante meses. Admitindo 15 Kg de gordura g x 9,3 kcal/g kcal kcal / 2400 kcal/dia 58 dias 15 Kg de gordura valor calórico de cerca de 140 refeições (de 1000 Kcal / cada) Os triacilgliceróis são formados por um resíduo de glicerol esterificado com 3 resíduos de ácidos gordos. Os ácidos gordos mais abundantes nos triacilgliceróis são o oleico (18:1;9), o palmítico (16:0) e o linoleico (18:2;9,12). A baixo grau de oxidação e o carácter hidrofóbico dos triacilgliceróis explicam a sua alta densidade energética. (no caso do glicogénio há 4g de água por g de glicogénio)

2 Como é que os ácidos gordos surgem no organismo? Embora uma pequena parte (em geral, <5%) se possa formar a partir de glicídeos (a chamada lipogénese de novo), a esmagadora maioria dos ácidos gordos do organismo provêm da dieta. As lípases gástrica e pancreática catalisam a hidrólise de triacilgliceróis da dieta. No processo de hidrólise da lípase pancreática também participam os sais biliares e a colípase. Dentro do enterócito ocorre a re-síntese de triacilgliceróis. O processo envolve a acção da sintétase de acil-coa e de transférases de acilo presentes na face citoplasmática do RE. São estas transformações que permitem criar os gradientes necessários à absorção. Os produtos da digestão são maioritariamente ácidos gordos e 2-monoacilglicerol. Na sua absorção (nos enterócitos) participam os sais biliares e transportadores de membrana. Ao mesmo tempo também se formam no enterócito (a partir de constituintes da dieta ou de secreção biliar) fosfolipídeos e colesterídeos que vão ser importantes constituintes dos quilomicra. Dentro dos enterócitos (para além de triacilgliceróis, fosfolipídeos e colesterídeos) também se sintetizam apolipoproteínas B48, AI e AIV. A ligação (não covalente) entre os lipídeos e as apoproteínas ocorre no RE e no Golgi. Estes processos levam à formação dos quilomicra que são vertidas no pólo basal dos enterócitos por exocitose e que, via linfáticos, chegam ao sangue. (8%) (1-2%) base Apo A Apo B48 quilomicra No sangue os quilomicra nascentes recebem das HDL apo C e apo E originando os quilomicra maduros capazes de se interagir com a lípase de lipoproteínas. A lípase de lipoproteínas é uma ecto-hidrólase das células endoteliais dos capilares dos tecidos adiposo (e muscular). A lípase de lipoproteínas tem como cofactor a apo CII das quilomicra e, no tecido adiposo, é estimulada pela insulina. A hidrólise dos quilomicra ocorre no plasma sanguíneo mas os HDL ácidos gordos são maioritariamente captados pelos adipócitos. Só uma parte menor dos ácidos libertados segue no Apo C e E sangue (ligação à albumina). O glicerol não é metabolizado no tecido adiposo nem no músculo: todo o glicerol libertado vai para o fígado e rim. (2%) (3%) (86%) linfáticos Veia central (sub-clávia esq.) célula endotelial lípase de lipoproteínas H 2 O

3 A digestão, a absorção (e também a hidrólise nos capilares) dos lipídeos da dieta são processos que se entendem por várias horas. Mesmo no período de concentração plasmática máxima (3 a 5 horas após refeição contendo lipídeos) a concentração dos triacilgliceróis associados aos quilomicra são, no indivíduo normal, uma fracção menor (<30%) do total de triacilgliceróis no plasma. [Frayn (2003) Metabolic Regulation. A human prespective. 2 Ed. Pag. 167] No tecido adiposo a captação dos ácidos gordos pelos adipócitos depende da sua conversão intracelular em triacilgliceróis (esterificação). Glicose Entrada para as células A insulina e a proteína estimuladora da acilação promovem (1) a entrada de glicose para dentro dos adipócitos que, via glicólise, leva à formação de dihidroxiacetona-p que se reduz a glicerol-3-p (2) e a esterificação via estimulação de aciltransférases. a conversão dos ácidos gordos cria o gradiente que permite a sua entrada para as células. dihidroxiacetonafosfato Aciltransférases e Fosfátase do fosfatidato glicerol-3-p 3 Acil-CoA Sintétase de acil-coa Triacilglicerol Entrada para as células A síntese de triacilgliceróis a partir de glicerol-3-p envolve a acção de 3 transférases de acilo (em que o dador é o acil-coa) e uma fosfátase. Acil-transférase do G3P Acil-transférase do 1-acilglicerol-fosfato glicerol-3-p + insulina Fosfátase do fosfatidato 3 Acil-CoA Acil-transférase do diacil-glicerol + Proteína estimuladora da acilação + 3 CoA + Pi + + H 2 O E o que é que acontece aos quilomicra quando a lípase de lipoproteínas actua? A lípase de lipoproteínas vai esvaziando o miolo dos quilomicra ao mesmo tempo que apo C e A, foslipídeos e colesterol vão passando para as HDL. Este processo leva à conversão dos quilomicra em quilomicra remanescentes que vão ser captados pelo fígado (endocitose mediada por receptor). Da interacção dos quilomicra remanescentes com os receptores hepáticos resulta a sua endocitose e subsequente hidrólise nos lisossomas. Os receptores são reciclados regressando à membrana. HDL Apo C e A, colesterol e fosfolipídeos célula endotelial Os quilomicra remanescentes, (para além de apo B48 e de uma parte dos triacilgliceróis e outros lipídeos) conservam as apo E que são ligandos de dois tipos de receptores presentes nos hepatócito: (1) Receptores das LDL (2) LRP (LDL receptor related protein)

4 Durante o jejum a insulina está baixa e, no citoplasma dos adipócitos predomina a acção lipolítica das catecolaminas ocorrendo hidrólise dos triacilgliceróis e libertação de ácidos gordos para o plasma sanguíneo. Durante o jejum a velocidade de hidrólise é maior que a de esterificação que está inibida. Perilipina Lípase hormonosensível 3 H 2 O P P As catecolaminas, via receptores 1, promovem a fosforilação (da lípase hormono-sensível e perilipina) e, consequentemente, a activação da lipólise. A insulina antagoniza o efeito das catecolaminas mas a insulina está baixa em jejum Após uma refeição que provoque subida da glicemia e da insulina a concentração de ácidos gordos livres desce do seu valor normal em jejum (cerca de 0,5 mm; 14 mg/dl) para valores 10 vezes mais baixos. O jejum faz descer a concentração de insulina: a concentração de ácidos gordos livres volta a subir porque, no tecido adiposo, fica estimulada a lipólise e inibida a esterificação. [ ] Cínase do glicerol hepática e renal gera glicerol-3-p No exercício físico a lipólise está aumentada por (1) acção directa ( 1) e (2) indirecta das catecolaminas (que inibem a libertação de insulina). [Frayn et al. (1993) Metabolism 42:504] Qual o destino metabólico predominante dos ácidos gordos livres? Durante o jejum a concentração de ácidos gordos livres está alta e os ácidos gordos são o principal combustível dos músculos e do fígado. Como se dá a oxidação dos ácidos gordos (oxidação em )? Os ácidos gordos são oxidados dentro das mitocôndrias; a sua entrada para as mitocôndrias envolve (1) a activação a acis-coa e Sintétase de acil-coa (2) o sistema da carnitina. FAD FADH 2 H 2 O Hidrátase Desidrogénase de acil-coa Acil-CoA (n carbonos) 2e - ETF (matriz) 2e - A oxidação em ocorre em ciclos de encurtamento de 2 carbonos, libertando-se em cada ciclo 4 electrões (para o O 2 via cadeia respiratória) e acetil-coa. ETF-ubiquinona oxiredútase (membrana mitoc. interna) NAD + NADH Desidrogénase do -hidroxi-acil-coa 2e - 2e - Cadeia Respiratória O 2 C16-CoA = palmitil-coa CoA Tiólase Acetil-CoA Oxidação em Acil-CoA (n-2 carbonos)

5 Não existe oxidação em anaeróbia : todos os ATPs que se formam como consequência da oxidação dos ácidos gordos são sintetizados pela síntase do ATP e pela sintétase de succinil-coa do ciclo de Krebs. C16-CoA I Q III cyt c IV II ETF-ubiquinona C16-CoA oxiredútase 23 O 2 7 FADH ETF H 2 O 2 8 acetil-coa 8 ATP 16 CO 2 7 NADH Krebs 24 NADH 8 FADH 2 ADP+Pi Síntase de ATP ATP 15 FADH2 X 1,5 ATP = 22,5 ATP 31 NADH X 2,5 ATP = 77,5 ATP Sintétase de succinil-coa = 8 ATP 108 ATP Quando se calcula o rendimento é costume descontar 2 ligações ricas em energia do ATP consumidas aquando da activação do ácido gordo = 106 ATPs No peroxissomas também há oxidação em mas o processo envolve encurtamento de ácidos gordos que terminam a sua oxidação na mitocôndria. A regulação da oxidação em ocorre principalmente ao nível da actividade da carnitina-acil transférase I que é inibida pelo malonil-coa (formada pela carboxílase de acetil-coa). Quando os níveis de malonil-coa baixam, a oxidação em acelera. Os factores que estimulam a AMPK levam à fosforilação da carboxílase da acetil-coa. A fosforilação inactiva a carboxílase de acetil-coa o que baixa a concentração de malonil-coa. A descida do malonil- CoA desinibe a carnitina-palmitoil transférase I... acelerando-se a oxidação dos ácidos gordos. oxidação em oxidação em Com as excepções do cérebro e dos eritrócitos todos os tecidos podem oxidar ácidos gordos. Embora a actividade muscular contráctil aumente a oxidação de todos os nutrientes, para uma dada velocidade de oxidação de nutrientes, as velocidades de oxidação da glicose e dos ácidos gordos variam de forma inversa. As condições que favorecem a oxidação de glicídeos (1- glicemia e insulina elevadas 2- ácidos gordos livres do plasma baixos; 3- no caso do músculo, níveis elevados de glicogénio) aumentam a actividade da carboxílase de acetil-coa e a concentração de malonil- CoA o malonil CoA inibe a carnitina-palmitoil transférase I e a oxidação em Estado pós-prandrial e/ou glicose e insulina altas [ ] oxidação em inibida Quando a insulina está baixa, a lipólise aumenta fazendo aumentar a concentração plasmática de ácidos gordos que (1) entram para as células, (2) são activados a acil-coa, (3) entram para as mitocôndrias e (4) são oxidados. Os ácidos gordos e/ou os acis-coa são: (1) estimulores da AMPK que fosforila (e inibe) a carboxílase de acil-coa (2) inibidores alostéricos da carboxílase de acil- CoA e (3) substratos da cartinina acil-transférase I A entrada de ácidos gordos para as células: (1 e 2) trava a síntese de malonil-coa que deixa de inibir a carnitina-acil transférase I (3) e estimula directamente a carnitina-acil transférase I Na situação em que a insulina está baixa os GLUT4 não estão na membrana citoplasmática prejudicando a captação de glicose e, além disso, os ácidos gordos livres plasmáticos elevados diminuem a sensibilidade à insulina e, consequentemente, a oxidação da glicose. Estado de jejum e insulina baixa

6 Nos músculos, os ácidos gordos substituem os glicídeos quando a disponibilidade de glicídeos baixa (como acontece no jejum) mas, mesmo em jejum, os ácidos gordos não substituem os glicídeos se a intensidade do exercício físico for muito elevada. Substratos dos processos 0.3 oxidativos no músculo em exercício: 0.2 kcal kg -1 min Qual o papel do fígado no metabolismo dos ácidos gordos livres? 1- Durante o jejum a gliconeogénese é um processo onde se consome ATP. O ATP formado pelo fígado em jejum resulta da oxidação dos ácidos gordos. base 2- Uma parte dos ácidos gordos serve para formar triacilgliceróis, ésteres de colesterol e fosfolipídeos que, em parte, o fígado incorpora nas VLDL (que contêm uma molécula de apo B100) e segrega para o plasma. Apo B100 Plasma sanguíneo 0 Jeukendrup (2002) ANYAS 967: oxidação O 2 ATP (55%) esterificação O exercício físico de intensidade elevada leva à produção de ácido láctico (glicólise anaeróbia). Pensa-se que a diminuição da oxidação em que ocorre nesta condição, seja uma consequência da descida do ph que inibe a carnitina-palmitoil-transférase I. CO 2 Cínase do glicerol Usando ácidos gordos livres, os produtos da hidrólise dos lipídeos das quilomicra remanescentes e glicerol-3-fosfato o fígado sintetiza triacilgliceróis e segrega VLDL. Os triacilgliceróis das VLDL tem um destino semelhante aos dos quilomicra: hidrólise pelas lípases de lipoproteínas nos capilares dos tecidos extrahepáticos. IDL Lípase de lipoproteínas Apo E Lípase de lipoproteínas hepática IDL HDL VLDL Apo C e foslipídeos HDL LDL Destinos das IDL 1) Interagir com receptores de LDL ou LRP (endocitose hepática) 2) Originar LDL por mecanismos mal conhecidos Os VLDL incorporam a maior parte dos triacilgliceróis plasmáticos e a sua concentração está aumentada quando há quilomicra pois estes competem com as VLDL inibindo a hidrólise dos seus triacilgliceróis. Formação de VLDL Lípase de lipoproteínas Esterificação Existe um ciclo de síntese de VLDL no fígado e hidrólise dos TAG dessas VLDL pela lípase de lipoproteínas do tecido adiposo. No jejum os TAG libertados nesse processo não são captados pelos adipócitos mas passam para o plasma sendo captados pelo fígado + Lípase de lipoproteínas O ciclo é interrompido quando os ácidos gordos são libertados pela acção hidrolítica da lípase de lipoproteínas musculares e são aí oxidados. A síntese desta lípase muscular é estimulada (1) no jejum e (2) pelo exercício físico.

7 No fígado, quando o tempo de jejum aumenta criam-se condições que levam ao aumento da velocidade de conversão de ácidos gordos em acetil-coa no fígado sem que aumente a velocidade de oxidação desta acetil-coa no ciclo de Krebs. Jejum insulina e glicagina ácidos gordos livres e carboxílase de acetil-coa hepática Velocidade de formação de acetil-coa que só pode ser oxidado no ciclo de Krebs à velocidade adequada aos gastos de ATP pelo fígado. Quando o tempo de jejum aumenta começa a ser cada vez mais importante uma via metabólica que, no fígado, converte o acetil-coa formado a partir dos ácidos gordos em corpos cetónicos: a cetogénese. Desidrogénase do - hidroxibutirato Líase do HMG-CoA Ciclo de Lynen Tiólase Jejum glicagina e insulina (+) Síntase do HMG-CoA No jejum fica estimulada a síntase do hidroxi-metil-glutaril-coa o que aumenta a velocidade do ciclo de Lynen (conversão de acetil-coa em acetoacetato). Parte do acetoacetato converte-se em -hidroxibutirato e parte em acetona. O acetoacetato e o -hidroxibutirato são vertidos pelo fígado no sangue e são importantes combustíveis dos tecidos extra-hepáticos. Tal como acontece com todos os nutrientes o acetoacetato e o -hidroxibutirato são primeiro convertidos em acetil-coa. Quando uma molécula de um ácido gordo se converte em corpos cetónicos libertam-se protões para o meio interno e há tendência para a acidose. Na cetogénese a partir de 1 molécula de ácido palmítico O metabolismo dos corpos cetónicos pode ser entendido como um desvio no catabolismo dos ácidos gordos: (1) conversão de acetil-coa em corpos cetónicos no fígado e (2) conversão inversa nos tecidos extra-hepáticos seguida de oxidação no ciclo de Krebs. Tiólase CoAtransférase podem formar-se 4 de acetoacetato ou 4 de -hidroxibutirato que se formam junto com os respectivos protões que se libertam para o meio e o acidificam Acetil-CoA acetoacetato -hidroxibutirato Desidrogénase do - hidroxibutirato Para além da capacidade de produzir corpos cetónicos um outro aspecto distintivo na oxidação hepática de ácidos gordos é a sua importância na gliconeogénese: No fígado a oxidação dos ácidos gordos fornece o ATP que se gasta na gliconeogénese. Quando há defeitos enzimáticos na oxidação em há hipoglicemia hipocetótica.

8 Qual é a vantagem evolutiva da cetogénese? O cérebro não oxida ácidos gordos mas, durante o jejum, os ácidos gordos do tecido adiposo são, indirectamente, oxidados no cérebro porque o fígado os converte em corpos cetónicos. Embora as bactérias intestinais possam sintetizar etanol, no homem o metabolismo do etanol é, fundamentalmente, a sua oxidação. Desidrogénase do etanol (citoplasma) NAD + NADH etanol NADPH + O 2 NADP H 2 O MEOS (retículo endoplasmático) Acetil-CoA quando há corpos cetónicos ocorre no cérebro substituição parcial de combustível: glicose por corpos cetónicos acetoacetato A maior parte do etanol é oxidado no fígado onde existem dois sistemas enzímicos: (1) Desidrogénase do etanol (2) Sistema Microssomal de Oxidação do Etanol Acetaldeído Acetaldeído NAD + Desidrogénase de aldeídos NADH Acetato -hidroxibutato Os acetaldeído (via desidrogénase de aldeídos) e o NADH (lançadeiras do malato ou do glicerol-3-p) vão ser oxidados na mitocôndria. O acetato pode ser usado como combustível pelo fígado (depois de activado pela sintétase de acetil- CoA, o acetil-coa é oxidado no ciclo de Krebs) mas a maior parte do acetato é exportado para o plasma e usado como combustível pelos órgãos extrahepáticos. Acetato No tecido adiposo o acetato inibe a lipólise. A oxidação do etanol, que tem prioridade relativamente aos outros nutrientes, poupa estes nutrientes. Acetato plasmático sintétase de acetil-coa ATP AMP + PPi Acetato Acetil- CoA CoA Krebs CO 2 Lista Bibliográfica 1. Ginsberg, H. N., Zhang, Y. L. & Hernandez-Ono, A. (2005) Regulation of plasma triglycerides in insulin resistance and diabetes, Arch Med Res. 36, Frayn, K. N., Fielding, B. A. & Karpe, F. (2005) Adipose tissue fatty acid metabolism and cardiovascular disease, Curr Opin Lipidol. 16, Roden, M. (2004) How free fatty acids inhibit glucose utilization in human skeletal muscle, News Physiol Sci. 19, Fielding, B. A. & Frayn, K. N. (1998) Lipoprotein lipase and the disposition of dietary fatty acids, Br J Nutr. 80, Kiens, B. (2006) Skeletal muscle lipid metabolism in exercise and insulin resistance, Physiol Rev. 86, Fukao, T., Lopaschuk, G. D. & Mitchell, G. A. (2004) Pathways and control of ketone body metabolism: on the fringe of lipid biochemistry, Prostaglandins Leukot Essent Fatty Acids. 70,