Metabolismo dos carbohidratos e das gorduras no exercício físico

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1 Metabolismo dos carbohidratos e das gorduras no exercício físico ruifonte@med.up.pt A contração de uma fibra muscular é uma consequência da despolarização da membrana sarcoplasmática. Esta despolarização origina-se na ligação da acetilcolina libertada no terminal do axónio motor aos recetores nicotínicos da membrana póssináptica da placa motora. Com origem no retículo sarcoplasmático (e no meio extracelular) o move-se para o citoplasma. A [ ] citoplasmática 0 vezes (0,1 µm µm) (A [ ] também na mitocôndria) Departamento de Bioquímica da Faculdade de Medicina do Porto 1 A contração termina quando o é bombeado para o interior do retículo sarcoplasmático 2 e para o meio extracelular (ases do ) regressando às concentrações de repouso. Os músculos são máquinas que convertem energia química em movimento. Filamentos grossos (miosina) Filamentos finos (actina, tropomiosina, troponina) ligado a troponina C ligação actina-miosina A contração muscular é o resultado do deslizamento entre os filamentos finos e grossos com aumento do grau de sobreposição entre estes filamentos encurtamento do sarcómero e das miofibrilas. O processo de contração/relaxamento consome : - ase da miosina -ase do Sarcómero distendido ase da miosina + H 2 O + Sarcómero contraído 3 A despesa energética do organismo como um todo é, maioritariamente, o somatório: despesa energética basal (BMR) + despesa associada ao exercício físico. 50 Se considerarmos o 45 organismo como um todo 40 1-um atleta durante a maratona tem uma despesa energética 25 total 1,1 kcal/min 20 xssuperior à basal. 20 (kcal/min) 2-um sprinter enquanto 15 corre os 0 m tem uma 5 despesa 50 xssuperior à 0 basal. A razão BMR dormir barrer o chão energética nos músculos/ min energética total/min caminhar 5 "jogging" maratona sprint 0 km/h m energética 30 (kcal/min) 20 Esta razão é, em repouso, de 25% e aumenta com o exercício. Émaior nos exercícios de tipo anaeróbico (até 94%) que nos de tipo aeróbico (até 90%), aumentando com a intensidade do exercício. 0 músculo esquelético organismo 25% 0,28 1,12 90% 18, % 46,2 descanço maratona sprint de 0 m 49 4

2 A maioria das atividades inclui exercícios de vários tipos (anaeróbico, aeróbico e misto), mas é útil fazer a distinção entre exercício aeróbico e anaeróbico. O (5 mm) que está presente nas fibras musculares só seria capaz de manter a contração muscular durante uma fração de segundo ou poucos segundos mas, mesmo quando o exercício físico é intenso, a concentração de praticamente não varia. Cada molécula de que sofre hidrólise é imediatamente reposta. Como? TAG do tecido adiposo Fosfocreatina TAG das próprias fibras (triacilgliceróis Glicogénio Glicogénio intramiocelulares) G1P Lípase de FFA no plasma lipoproteínas no plasma FFA G1P G6P Os aminoácidos têm um contributo relativamente pequeno: talvez 1-5% da energia (?) Nos exercícios de tipo anaeróbico, a ação da cínase da creatina é relevante, mas a esgota-se em alguns segundos. descida da em s de exercício anaeróbico Cínase da creatina (junto da miofibrilas) s + H2O creatina creatina Cínase da creatina (espaço intermembranar da mitocôndria) Exemplos halterofilismo, sprint de 0 m, saltos, rematar com força caminhar, correr (por exemplo, a maratona) Irrigação e consumo de O2 dos músculos implicados Aumento nulo ou irrelevante Aumento muito marcado (pode ser de 0 xs) Substituição do hidrolisado dependente de... Fosfocreatina, armazenado nos músculos em contração e glicólise anaeróbica Oxidação completa (a ) de nutrientes armazenados no músculo, mas tb no tecido adiposo e no fígado Potência (energia gasta/unidade de tempo) Muitíssimo elevada; nas fibras em contração, o gasto de pode ser 300 xs superior ao de repouso Menos elevada que no anaeróbico mas, quando a intensidade é elevada (taxa de consumo de O2 elevado), nas fibras em contração, o gasto de pode ser 130 xs superior ao de repouso Duração Curta Pode ser longa Tipo de fibras predominantemente implicadas Tipo II (brancas, glicolíticas ou de contração rápida) Tipo I (vermelhas, oxidativas, ou de contração lenta) 5 matriz mitocondrial A reposição parcial ou total (durante o repouso) dos níveis de ocorre por ação de moléculas da cínase da creatina situadas no espaço intermembranar da mitocôndria onde o quociente de reação favorece a reação inversa (a fosforilação da 7 creatina pelo ). 6 No exercício anaeróbico, a fosforólise do situado nas fibras musculares que estão a contrair é muito estimulada sustentando um aumento da glicólise que pode ficar 00 vezes mais rápida que no repouso. Fatores que contribuem para a ativação da glicogenólise: Glicogénio 1º - O Ca2+ ativação da cínase da fosforílase 2º- O aumento da hidrólise do [AMP] H2O ase da miosina aeróbico Acil-CoA anaeróbico Acil-CoA Acil-CoA Creatina lactato VLDL no plasma Tipo de exercício 3º [] resultante da de ativação da fosforílase do Glicose-1-P 4º - A adrenalina circulante (que aumenta durante o exercício) poderá ter algum papel facilitador via recetores β, ativação da PKA e fosforilação (ativação) da cínase da fosforílase. Mas a adrenalina sem exercício muscular e da [] NÃO provoca aumento da fosforólise. 8

3 Os mecanismos que provocam a ativação da glicólise são mal conhecidos mas, pelo menos parcialmente, são causados pela estimulação da cínase 1 da frutose-6-fosfato pelo AMP (e inibição da frutose-1,6-bisfosfátase). As atividades simultâneas da cínase-1 da frutose-6-fosfato (v a ) e da frutose-1,6-bisfosfátase (v b ) constituiemum ciclo de substrato. A velocidade líquida no processo glicolítico é a diferença entre as velocidades das reações catalisadas (v a -v b ). v b =39 H 2 O [AMP] Frutose-1,6-BisP ruvato v a -v b =1 v a -v b =1 v a =40 A contração muscular provoca [] e [AMP]. O AMP é ativador da cínase-1 da frutose-6-p e inibidor da frutose-1,6- bisfosfátase. v b =20 H 2 O Frutose-1,6-BisP ruvato v a -v b =00 [AMP] v a =20 STOP + v a -v b =00 Um aumento de 25,5 vezes (20/40) em v a e a diminuição simultânea para cerca de metade 9 (20/39) em v b explicaria um aumento de 00 vezes na velocidade da glicólise. O exercício anaeróbico é de curta duração porque o aumento da velocidade da glicólise é muitíssimo mais marcado que o aumento na atividade das lançadeiras envolvidas no transporte de eletrões para dentro da mitocôndria e da cadeia respiratória. Numa fibra em exercício exclusivamente anaeróbico a glicólise aumenta 00 xs, mas o consumo de O 2 não aumenta. Glicose 2 ácido láctico 2 lactato H + A descida do ph limita o tempo em que o exercício anaeróbico pode decorrer porque o ph ácido: 1º -inibe a fosforílase do e a cínase- 1 da frutose-6-p 2º inibe o próprio processo de contração: a saídade cálcio do retículo sarcoplasmático, a ligação do à troponina C e a atividade da ase da miosina. Glicogénio Glicose-1-P Frutose-1,6-BisP Gliceraldeído-3-P 1,3-bisfosfoglicerato ruvato H + NAD + NADH Ácido Láctico RS ase H + O rendimento (s / glicose ou resíduo de glicose ) da glicólise anaeróbica é baixo mas, nas fibras em contração, o fluxo glicolítico pode ser muito mais rápido que o fluxo que pode ocorrer na cadeia respiratória. Glicogénio (n) Glicose 2 CO 2 Frutose-1,6-BP 2 X Gliceraldeído-3-P 2 X NADH 5 2 X 1,3-bisfosfoglicerato ou X 3-fosfoglicerato 2 X fosfoenolpiruvato 2 2 X piruvato 2 X NADH 5 2 X acetil-coa 2 X 3 NADH + Krebs 2 X 1 FADH+ 2 4 CO 20 2 Rendimento = 34 (ou 32) 2 = 32 ou 30 / glicose sanguínea oxidada glicólise anaeróbica com origem no das fibras = 3 s por resíduo de glicose-1-p cindido a lactato, mas muitos /min. mas o lactato não se perde na urina ou nas fezes Glicose-1-P Frutose-1,6-BP 2 X Gliceraldeído-3-P 2 X 1,3-bisfosfoglicerato 2 X 3-fosfoglicerato 2 X piruvato 2 2 X fosfoenolpiruvato 2 2 X lactato Rendimento = 4 1 = 3 / resíduo de glicose proveniente do intracelular 11 Embora o tempo em que o exercício de tipo aeróbico pode manter-se dependa da intensidade (e do treino), em geral, pode prolongar-se por horas. Exemplos: caminhar a 5 km/h 4-5 kcal/min, correr a maratona kcal/min. A despesa energética em repouso 1,1 kcal/ min. Consumo de O 2 mantém-se no máximo; 0 % VO 2 max Num dado indivíduo a intensidade do exercício aeróbico costuma medirse como uma percentagem do VO 2 máximo Intensidade baixa 25% do VO 2 max exercício aeróbico Intensidade intermédia geralmente de 45-60% do VO 2 max Intensidade alta > 80% do VO 2 max Exercício anaeróbico 12

4 No exercício aeróbico há poupança de intramiocelular das fibras em contração e utilização de nutrientes que estão fora das fibras musculares. 1-Orendimento em termos de na oxidação de nutrientes a CO 2 é v1 muito mais elevado que na glicólise anaeróbia. (Nos primeiros minutos de um exercício aeróbico de intensidade intermédia ou lactato alta, também há diminuição da e aumento do lactato, v2(=v1) mas a partir de um dado momento a velocidade de oxidação do lactato iguala a sua formação: deixa de haver acumulação de lactato.) CO 2 2-Para além dos combustíveis presentes nas fibras musculares, o músculo usa combustíveis que estão fora do músculo. Devido ao aumento do débito cardíaco (efeito adrenérgico β) e à vasodilatação local (efeito predominante de libertação local de vasodilatadores como a adenosina), num músculo em exercício aeróbico, o fluxo sanguíneo nos músculos em exercício pode aumentar cerca de 0 vezes. O débito respiratório também aumenta. Nos adipócitos, a lipólise intracelular aumenta libertando ácidos gordos livres para o plasma (NEFA= non esterifiedfattyacids= FFA= ácidos gordos livres plasmáticos). A glicogenólise e a produção de glicose aumentam no fígado 13 As quantidades e o tipo de nutrientes oxidados durante os exercícios aeróbicos variam com a intensidade do exercício. 1-A oxidação da glicose sanguínea Glicogénio do músculo (= hepático) aumenta 25 com a intensidade do exercício. kcal/min Glicose sanguínea ( hepático) TAG (VLDL e intramiocelular) FFA (lipólise tecido adiposo) Repouso 0% 25% 50% 80% Intensidade do exercício (% VO 2 max) 2-O contributo do das fibras musculares em atividade contratilaumenta muito para intensidades acima de 25% do VO 2 max. 3-Entre o repouso e 25% do VO 2 max a oxidação dos ácidos gordos livres (FFA) aumenta, mas acima de 25% do VO 2 maxpassa a haver diminuição. 4-A oxidação dos TAG intracelulares + TAG das VLDL (TAG=triacilgliceróis) aumenta com a intensidade, mas deixa de aumentar quando a intensidade do exercício fica acima de 50% do VO 2 max. 5-O Quociente Respiratório aumenta quando a intensidade do exercício aumenta acima de 25% do VO 2 maxaproximando-se de 1 para exercícios de alta intensidade. 14 Que fatores dentro dos músculos estimulam a captação e a oxidação da glicose quando a intensidade do exercício aeróbico aumenta? 1-De forma independente da insulina, por um mecanismo que envolve a ativação da AMPK (pelo AMP ), o exercício provoca a mobilização para a membrana sarcoplasmática de moléculas de GLUT4. 2- [AMP] da cínase 1 da frutose-6-p e da fosfátase da frutose-1,6-bisp. 3-O do [ ] no sarcoplasma também difunde para as mitocôndrias onde a [ ] também. H 2 O piruvato Ciclo de Krebs Fosfátase da desidrogénase do piruvato Acetil-CoA desidrogénase do isocitrato desidrogénase do α-cetoglutarato NADH Complexo I Complexo IV e - O 2 4-O [] e ativa a síntase do. + Síntase do 5- O efeito ativador do e do ajudam a explicar o aumento da oxidação de todos os nutrientes (que, em todos os casos, é sempre maior durante o exercício que no repouso). A captação e a oxidação da glicose sanguínea aumentam com a intensidade do exercício, mas não é frequente haver hipoglicemia durante o exercício físico. Normalmente a glicemia mantêm-se estacionária porque a produção hepática de glicose aumenta de forma paralela à custa do aumento da glicogenólise (a gliconeogénese praticamente não varia durante o exercício). Adrenalina + estimulação simpática Inibição da produção de insulina nas células β Que fatores provocam a mobilização do hepático? Hodgettse col. (1991) JAP 445 [glicagina] [insulina] no plasma As catecolaminas podem estimular diretamente a glicogenólise hepática (via PKA). No entanto, apesar de haver aumento da produção de catecolaminas durante o exercício, a convicção atual é que não têm um papel direto na produção hepática de glicose durante o exercício. 16

5 Em exercícios de baixa intensidade os ácidos gordos plasmáticos (FFA) são o principal combustível dos músculos em exercício aeróbico. Que fatores poderão ajudar a explicar este aumento de consumo de ácidos gordos livres plasmáticos? Dentro dos músculos: 1- da irrigação sanguínea oferta de ácidos gordos livres 2-A ativação pelo das desidrogénases do ciclo de Krebs, dos complexos da cadeia respiratória e síntase do estimulam a oxidação dos ácidos gordos. 3-O estimula a síntase de. O malonil-coa intramuscular não varia durante o exercício e, por isso, pensa-se que não tem relevância na regulação da oxidação de ácidos gordos durante o exercício físico. A[FFA] no plasma mantém-se estacionária porque quer o da adrenalina e noradrenalina, quer a da insulina contribuem para o aumento da lipólise (via das formas fosforiladas da lípase hormonosensível e da perilipina). Quando a intensidade do exercício é elevada, o contributo dos carbohidratos ( muscular e glicose sanguínea), mas o contributo dos ácidos gordos livres (FFA). Porque é que diminui a oxidação dos FFA? Fatores intramusculares. 1-A par da estimulação da oxidação da glicose também há aumento da glicólise e aumento da produção de lactato com descida do ph 2-O aumento do fluxo na desidrogénase do piruvato leva à acumulação de acetil-coa que reage com a carnitina (formando acetil-carnitina) limitando a quantidade de carnitina disponível. glicose piruvato acetil-coa carnitina + acetil-coa acetil-carnitina + CoA [carnitina] intramiocelular glicose atividade da carnitina-palmitil transférase 1 das fibras da oxidação em β 18 Quando a intensidade do exercício aeróbico é elevada o contributo do das próprias fibras aumenta. Porquê? A) Glicogenólise. Porquê? 1º - O ativação da cínase da fosforílase 2º-O aumento da hidrólise do [AMP] 3º [] resultante da de ativação da fosforílase do Glicogénio das fibras A hidrólise dos TAG acumulados nas próprias fibras musculares ( 300 g no total) e a subsequente oxidação dos ácidos gordos libertados também contribuem para a substituição do durante o exercício aeróbico. gotícula TAG Triacilgliceróis intramiocelulares (e das VLDL) B) Glicólise. Porquê? [AMP] ativação da cínase 1 da frutose-6-p e inibição da fosfátase da frutose-1,6-bisfosfato C) Oxidação do piruvato e oxidação de acetil-coa. Porquê? 1 da desidrogénase do piruvato via ativação da fosfátase da desidrogénase do piruvato 2 ativação das desidrogénases do isocitrato e do α-cetoglutarato 3 ativação dos complexos I e IVda cadeia respiratória e da síntase do miofibrilas Pensa-se que o contributo dos TAG das VLDL para a despesa energética durante o exercício muscular é quantitativamente pouco relevante. O exercício físico aumenta a síntese da lípase de lipoproteínas do tecido muscular (efeito a longo prazo): este é um efeito com importância na descida das VLDL plasmáticas, mas o contributo dos TAG das VLDL para a despesa energética do músculo é irrelevante. A massa total de TAG plasmáticos num indivíduo saudável é de 3 g (1% da massa de TAG intramiocelulares). 20

6 Efeitos a longo prazo do exercício físico continuado no metabolismo. 1-O exercício físico aeróbico continuado aumenta a sensibilidade à insulina porque estimula a síntese de GLUT4 aumentado a capacidade da insulina para estimular a captação de glicose nas fibras musculares. 2-O exercício físico continuado estimula a síntese da lípase de lipoproteínas muscular [TAG do plasma] (das VLDL e dos quilomicra) porque acelera a sua degradação. 3-O exercício físico anaeróbicoaumenta a síntese das proteínas que são componentes das miofibrilas: hipertrofia das fibras musculares(quer as de tipo 1 quer as de tipo 2). 4-O exercício físico aeróbiconão provoca hipertrofia muscular, mas aumenta ácidos gordos a quantidade de mitocôndrias, o transportador membranar FABPpm e a densidade da rede capilar e FABPpm aumentando capacidade para exercícios ácidos gordos dentro da aeróbicos. fibra muscular 21 Bibliografia usada: Frayn, K. N. (2012) Regulação Metabólica. Uma perspetiva focada no organismo humano., U.P. Editorial, Porto. Stipanuk, M. H. (2012) Biochemical, PhysiologicalandMolecular AspectsofHumanNutrition, 3rd edn, Elsevier, St. Louis. van Loon, L. J., Greenhaff, P. L., Constantin-Teodosiu, D., Saris, W. H. & Wagenmakers, A. J. (2001) The effects of increasing exercise intensity on muscle fuel utilisation in humans, J Physiol. 536, Romijn, J. A., Coyle, E. F., Sidossis, L. S., Gastaldelli, A., Horowitz, J. F., Endert, E. & Wolfe, R. R. (1993) Regulation of endogenous fat and carbohydrate metabolism in relation to exercise intensity and duration, Am J Physiol. 265, E Murray, R. K., Granner, D. K. & Rodwell, V. W. (2012) Harper'sIllustratedBiochemistry, 29th edn, Lange, Boston. Newsholme, E. A. & Leech, T. (2009) FunctionalBiochemistryin Healthanddisease, Wiley-Blackwell, Oxford. Stephens, F. B., Constantin-Teodosiu, D. & Greenhaff, P. L. (2007) New insights concerning the role of carnitine in the regulation of fuel metabolism in skeletal muscle, J Physiol. 581, Wahren, J. & Ekberg, K. (2007) Splanchnic regulation of glucose production, Annu Rev Nutr. 27, Van Hall, G., Jensen-Urstad, M., Rosdahl, H., Holmberg, H. C., Saltin, B. & Calbet, J. A. (2003) Legand arm lactate and substrate kinetics during exercise, Am J Physiol Endocrinol Metab. 284, E Spriet, L. L., Howlett, R. A. & Heigenhauser, G. J. (2000) An enzymatic approach to lactate production in human skeletal muscle during exercise, Med Sci Sports Exerc. 32, Green, H. J., Duhamel, T. A., Holloway, G. P., Moule, J., Ouyang, J., Ranney, D. & Tupling, A. R. (2007) Musclemetabolicresponses during16 hoursofintermittentheavyexercise, Can J PhysiolPharmacol ,