Regulação do metabolismo oxidativo e equilíbrio energético

Transcrição

1 Regulação do metabolismo oxidativo e equilíbrio energético ruifonte@med.up.pt Departamento de Bioquímica da Faculdade de Medicina do Porto Semelhanças Usam a oxidação de compostos orgânicos como fonte de energia. 2 A velocidade de oxidação dos compostos orgânicos aumenta com o exercício. Diferenças óbvias 1 Os seres vivos não têm chave de ignição: continuam a gastar gasolina (a oxidar nutrientes) mesmo quando estão parados. 3 Os automóveis não procuram ativamente os postos de combustível nem engordam quando se põe gasolina a mais no depósito. 4 Os mamíferos tem pelo menos 2 (ou 3) depósitos de combustível: 2 glicídeos e triacilgliceróis (e proteínas). À despesa energética de um indivíduo (1) em repouso físico e mental, (2) em jejum há h (3) e num ambiente com temperatura agradável chama-se taxa de metabolismo basal (BMR = basal metabolic rate). Como medi-la? Calor libertado 1600 kcal/dia O calor que aumenta de 1ºC, 1600 kg de água; 6,69 MJoules/dia 1,86 kwh/dia 70 kg consumido 15 moles / dia (336 L) Mesmo em repouso, os órgãos continuam ativos ocorrendo processos cíclicos cujo somatório é a hidrólise de ATP. Alguns exemplos: 1) Transporte iónico passivo via canais iónico e transporte ativo via ATPases de membrana 2) Contração e relaxamento muscular no diafragma e coração via ação da ATPase de miosina Porque é que, ao contrário do automóvel, o ser vivo continua a 3) Síntese e hidrólise de ácidos nucleicos (RNA e DNA) e nucleotídeos libertar calor e a consumir quando está parado? 3 4) Síntese e hidrólise de proteínas 4

2 6) Ciclos de substrato no sentido estrito 5) Ciclos de Cori e da alanina 7) Ciclos de substrato em sentido mais amplo como o que envolve os processos de hidrólise de triacilgliceróis 5 e re-esterificação Em condições de BMR, o grosso dos ATPs é consumido no transporte iónico ( 30 %) e síntese proteica ( 30 %). Uma percentagem menor ( 5 %) é consumida pela ATPase da miosina. ADP Estima-se que nas condições BMR um indivíduo adulto de 70 kg hidrólise cerca de 40 mmoles/min (60 moles/dia). 40 mmol ATP / min 5% trabalho mecânico transporte ativo Na Ca 2 Na ausência de mecanismos que fosforilem o ADP formado, todo o ATP do indivíduo ( 120 mmoles) se esgotaria em 3 min. 30% 30% síntese proteica outros 6 Cada ATP hidrolisado é imediatamente reposto: a concentração de ATP é estacionária porque vel. de síntese = vel. de hidrólise. A reposição do ATP (fosforilação do ADP) depende, em última análise, da oxidação dos nutrientes pelo. Admitindo que se formam cerca de 2,5 ATPs / átomo de oxigénio consumido (razão P:O = 2,5 razão P: = 5) a velocidade de 40 mmol de ATP / min 8 mmol de consumido / min 8 mmol consumido na cadeia respiratória /min (180 ml/min). nutrientes C H 2 O ADP 40 mmol ATP / min Na Ca 2 7 A oxidação dos nutrientes é um processo exotérmico; para além de C e H 2 O gera um terceiro produto : calor. Nas reações de oxidação dos nutrientes libertam-se cerca de 106 kcal / mole de consumido (= 19,8 kj/l). 8 mmol consumido na cadeia respiratória / min 0,85 kcal/min nutrientes C H 2 O ADP 40 mmol ATP / min A BMR pode ser estimada medindo o consumido ou o calor libertado porque 8 existe proporcionalidade (quase perfeita) entre o consumido e o calor libertado. Na Ca 2

3 O calor libertado num sistema onde ocorrem reações = diferença entre as entalpias dos produtos e reagentes. Entalpia de A Entalpia de B Nos casos dos glicídeos e lipídeos, o calor libertado na sua oxidação é igual nos seres vivos e no calorímetro A B C D Entalpia de C Entalpia de D H = calor libertado glicose palmitato C 6 H 2 O 669 kcal 16 C 16 H 2 O 2413 kcal 793 kcal 76 kcal 869 kcal mas no caso das proteínas (e aminoácidos) os produtos da oxidação nos seres vivos não coincidem com os produtos 9 formados num calorímetro Poderá parecer estranho que, sendo o metabolismo tão complexo, quando se fala no calor libertado pelo ser vivo apenas se refiram as reações de oxidação dos nutrientes mas... nutrientes C H 2 O... num ser vivo adulto as concentrações (e a quantidade total) dos intermediários, coenzimas, ATP, ADP,, etc. são estacionárias (quase não variam) e, consequentemente, não há consumo nem formação efetiva destes intermediários. O calor libertado = H das reações onde ocorreu consumo efetivo de reagentes e formação efetiva de produtos. 10 Exemplificando para o caso da oxidação da glicose. glicose 6 6 C 6 H 2 O 669 kcal O processo de oxidação da glicose está acoplado à síntese de ATP e poderia pensar-se que a equação a escrever quando se pensa num organismo vivo inteiro deveria ser: glicose 6 32 ADP 32 6 C 6 H 2 O 32 ATP 32 H 2 O 509 kcal Mas só sintetizamos uma molécula de ATP quando uma se hidrolisa ATP 32 H 2 O 32 ADP kcal... e o somatório das duas últimas equações é: glicose 6 6 C 6 H 2 O 669 kcal 11 Uma parte (25-30%) do calor libertado e do oxigénio consumido em condições de medida da BMR não estão diretamente relacionados com síntese de ATP. (1) Nas mitocôndrias das células, não existe acoplagem perfeita entre oxidação de nutrientes e síntese de ATP (ou seja, a razão P: < 5, sempre). (2) Existem enzimas em cuja ação se consome e se liberta calor (várias oxigénases e oxídases) e que não são a oxídase do citocromo c (complexo IV). 15 mol de / dia kcal/dia e calor (1) desacoplagem fisiológica entre oxidação e fosforilação (2) oxigénases e oxídases e calor estritamente acoplados com síntese/hidrólise de ATP: 8 mmol de / min x 1440 min = 11,5 moles de / dia 0,85 kcal / min x 1440 min = 1224 kcal / dia BMR 12

4 10,4 mmol de /min (> 8 mmol) 1,1 kcal/min (> 0,85 kcal/min) nutrientes C H 2 O ADP 40 mmol ATP / min Na Ca 2 Ao incluirmos o gasto de energia não diretamente relacionado com o gasto de ATP, o calor libertado passa a ser de 1,1 kcal/min em vez de 0,85 kcal/min. (1) Pensa-se que 20% a 25% da BMR se deve a desacoplagem fisiológica entre fosforilação e oxidação nas mitocôndrias= uma parte do reduzido a H 2 O pelo complexo IV na mitocôndria não está diretamente relacionado com síntese de ATP. 4 H I Q III cyt c IV 1 NADH NAD n/10 n/10 NADH NAD (2 H 4 H ) O n/10 O H2 O 10 H 2,5 ADP 2,5 V Simp. n H Proteínas desacopladoras 2,5 ATP Leak (pingar) Quando n protões entram na mitocôndria através de um transportador que não é a síntase de ATP (leak), a manutenção do gradiente electroquímico da membrana exige que n protões sejam bombeados para fora da mitocôndria. O bombeamento destes n protões não se traduzem em síntese de ATP mas este bombeamento está dependente da oxidação dos nutrientes (e da redução do ); por cada n protões bombeados n/10 NADH são oxidados. Atualmente admite-se que uma das proteínas responsáveis pelo leak de H é o trocador ADP/ATP da membrana mitocondrial interna [Brand et al. (2005) Biochem J 392:353]. Outra parte do leak de H poderá corresponder a atividades basais de várias UCPs ( uncoupling proteins ). 14 (2) Uma parte (embora menor) do gasto em condições de BMR não é sequer consumido na ação catalítica do complexo IV. As oxigénases (envolvidas, por exemplo, na oxidação de aminoácidos) e as oxídases de função mista (como a NADP hidroxílase da fenilalanina e as enzimas da família dos citocromos P450) NADPH também consomem e, indiretamente (via consumo de NADPH), estimulam a via das pentoses-fosfato e a produção de C. Todos estes processos Glicose-6-P embora não diretamente relacionados com a síntese NADP de ATP são exotérmicos. 6-fosfo-gliconolactona Ribulose-5-P NADPH NADP NADPH C NADPH Etanol NADP acetaldeído Acetil-CoA H 2 O Fenilalanina Tetrahidrobiopterina Dihidrobiopterina Tirosina α-cetoglutarato glutamato C H 2 O H 2 O p-hidroxifenil-piruvato fumarato Homogentisato maleilacetoacetato H 2 O fumarilacetoacetato acetoacetato A taxa de metabolismo basal (BMR) é, em geral, tanto maior quanto mais pesado é o indivíduo Toleban e col. Metab. (2008) 57:1155 * CGL1= lipodistrofia congénita generalizada (deficit marcado de tecido adiposo por alteração na esterificação) mas a relação é mais linear quando se relaciona a BMR com a massa magra. Massa magra = massa corporal - 16 tecido adiposo *

5 Quando um indivíduo engorda aumenta a sua massa de triacilgliceróis mas também a quantidade de tecido metabolicamente ativo ( citoplasma dos adipócitos, vasos sanguíneos do tecido adiposo, músculo, fígado, rins, coração = massa isenta de gordura ) BMR [Prentice et al. 1986, Br Med J 192: ] Contudo, quando se emagrece, a diminuição na BMR é maior que a que seria de esperar tendo em conta a diminuição de massa isenta de gordura. A secreção normal de hormonas tiroideias e o tono simpático basal contribuem para a BMR porque: o leak de H SNSimpático no tecido adiposo castanho (estimulação de UCP1) Sensibilidade do tecido adiposo castanho à noradrenalina o leak de H noutros tecidos (mecanismos desconhecidos) Exemplos: turnover proteico e turnover iónico vel. dos ciclos de substrato gasto de ATP Reciprocamente, quando se emagrece perde-se gordura, mas também a massa isenta de gordura BMR. Quando se emagrece: a secreção de hormonas tiroideias o tono simpático no tecido adiposo castanho Processos de turnover leak de H despesa energética Em muitas doenças há BMR e podem estar envolvidos mecanismos relacionados com gasto de ATP ou não relacionados directamente com este gasto % de aumento relativamente a não doente Hipertiroidismo (aumento das hormonas tiroideias) 60 a 100 % Traumatismo com fracturas múltiplas 10 a 25 % Grandes queimados 25 a 60 % Doenças febris (aumento para 39ºC) 10 a 25 % No caso do hipertiroidismo a causa do aumento da BMR é turnover proteico e iónico (e outros ciclos de substrato ) e leak de H Noutras doenças em que há da BMR (nomeadamente nos traumatismos, nos queimados e doenças infeciosas agudas) há (1) do tono simpático que provova leak de H Que acontece à despesa energética quando um indivíduo aumenta a sua atividade física? Calor libertado >> 1600 kcal/dia consumido >> 15 moles / dia (>> 330 L) A maioria dos indivíduos têm uma taxa metabólica máxima (máximo esforço físico durante um período curto de tempo) que é 10 BMR. (2) da síntese hepática de proteínas de fase aguda (3) do trabalho cardíaco e dos músculos respiratórios A despesa energética tem assim um 2º componente: despesa energética = BMR despesa energética associada à atividade física 20

6 O esforço físico provoca aumento das atividades da ATPase da miosina e das ATPases do Ca 2 e do Na /K. Que aconteceria se a despesa energética não aumentasse quando um indivíduo aumenta a sua atividade física? 8 mmol consumido na cadeia respiratória / min nutrientes ADP Na Ca mmol ATP / min Um automóvel aumenta de velocidade quando aumentamos a velocidade com que a gasolina é injetada no motor. E nos seres vivos como é que é regulada a velocidade de oxidação dos nutrientes? Chance e Williams (1955) JBC 217:383 A 1ª resposta veio de estudos com mitocôndrias isoladas ainda antes de o modelo de Mitchell ter sido proposto (ADP = acelerador da oxidação). 40 mmol ATP / min C H 2 O ATP A concentração de ATP desceria, a de ADP e aumentaria e os processos dependentes de ATP deixariam de ocorrer Adaptando a proposta do ADP como acelerador (Chance e Williams, 1955) à teoria de Mitchell H H H I dg3p-fad Q III cyt c II-FAD O NADH NAD desidrogénases IV H2 O ADP e ATP síntase do ATP gradiente eletroquímico da membrana mitocondrial cadeia respiratória [NADH] e [NAD ] desidrogénases do ciclo de Krebs, glicólise e oxidação em β H V Simp. ADP ATP Glicogénio Fosforílase do glicogénio Glicose Frutose-6-P Frutose-1,6-BisP ruvato acetil-coa NAD NADH NADH Cínase da frutose-6-p NAD NAD Desidrogénase do piruvato NADH AMP ADP e AMP ATP Desidrogénase do isocitrato Desidrogénase do α- cetoglutarato Outras observações feitas in vitro também apontam para a importância das variações de concentração de ADP, AMP, ATP, NAD e NADH. ADP e NAD ATP e NADH ADP e NAD ATP e NADH ADP e NAD ATP e NADH 24

7 Em exercícios aeróbicos a 90% do máximo de consumo de, a variação da concentração de ATP nos músculos esqueléticos em contração é quase impercetível, a de ADP pode aumentar 4 vezes e a de AMP 20 vezes. 0,08 0,06 mm nos músculos 0,04 esqueléticos mm nos músculos esqueléticos 0,02 ADP (mm) ADP (mm) AMP (mm) tempo de exercício físico a 90% de VO2 max (min) 0,002 0,0015 0,001 0,0005 AMP (mm) AMP (mm) tempo de exercício físico a 90% de VO2 max (min) No entanto, neste mesmo tipo de exercícios a velocidade de hidrólise (e síntese) de ATP nas fibras musculares que se estão a contrair pode ser 100 vezes superior à basal. Concentrações em repouso: [ATP] = 5 mm [ADP] = 0,02 mm [AMP] = 0,0001 mm Baseado em Spriet e col. (2000) Med Sci Sports Exerc; 32: No caso do coração, a hidrólise (e síntese) de ATP pode aumentar 4 vezes, mas as variações nas concentrações intracelulares de ADP, AMP,, ATP, NAD e NADH são nulas. Em qualquer caso, as variações nas concentrações são sempre demasiado modestas para poderem, por si só, explicar completamente as variações de velocidade no consumo de oxigénio e nutrientes quando a velocidade de hidrólise (e síntese) de ATP aumenta durante o esforço muscular. nutrientes NAD desidrogénases H 2 O cadeia respiratória H (fora) ADP síntase do ATP ATPases C NADH H (dentro) ATP vel.1 = vel.2 = vel.3 = vel.4 Ca 2 Adaptado de Korzeniewski (2006) Am J Physiol Heart Circ Physiol 291: Quando um músculo é estimulado por um nervo motor ocorre despolarização que induz uma cadeia de fenómenos... Com origem no meio extracelular ou no retículo sarcoplasmático o Ca 2 move-se para o citoplasma. [Ca 2 ] citoplasmático 100 vezes (0,1 µm 10 µm) [Ca 2 ] na matriz da mitocôndria 27 Que efeitos provoca o Ca 2 nas enzimas relacionadas com a oxidação dos nutrientes e com a hidrólise do ATP? nutrientes NAD H 2 O H (fora) ADP Fosforólise e desidrogénase C NADH cínase da fosforílase do glicogénio desidrogénase do glicerol-3-p (membranar) desidrogénases do piruvato do isocitrato do α-cetoglutarato Cadeia respiratória Complexos I e IV Ca 2 mitocondrial H (dentro) Síntase do ATP ATP Síntase do ATP Ca 2 citoplasmático ATPases ATPase da miosina ATPase do Ca 2 28

8 Quando se mede a BMR a temperatura ambiente tem de ser agradável. Que acontece se estiver frio? A despesa energética tem um 3º componente: despesa energética associada à adaptação ao frio. Trémulo = [Ca 2 ]citoplasma que estimula processos de hidrólise de ATP. Estimulação do SNSimpático (SNS) adrenalina e noradrenalina Desacoplagem (uncoupling) entre fosforilação e oxidação mitocondrial no tecido adiposo castanho. sensibilização Estimulação do sistema hipotálamo hipofisário - tiroide hormonas tiroideias Ativação de processos de turnover iónico, e proteico aumento da velocidade de hidrólise do ATP. do consumo de e de nutrientes e da produção de calor. O bebé humano não treme, mas tem tecido adiposo castanho, onde existe termogenina (UCP1; uncoupling protein 1) cuja atividade é estimulada pelo Sistema Nervoso Simpático. SNSimp. 4 H (2 H 4 H ) 10 H n H I Q III cyt c IV 1 NADH NAD n/10 n/10 NADH NAD O n/10 O H2 O 2,5 ADP 2,5 V Simp. 2,5 ATP Quando o SNSimpático (e, indiretamente, as hormonas tiroideias) estimulam a UCP1 aumenta a velocidade de oxidação do NADH e dos nutrientes aumenta o consumo de oxigénio e produção de calor (pode ser para o dobro). A UCP1 (Uncoupling Protein 1) é uma proteína da membrana da mitocôndria que, como a síntase do ATP, deixa passar H a favor do gradiente, mas não sintetiza ATP. A passagem dos H diminui o gradiente eletroquímico facilitando a tarefa (estimulando) 30 dos complexos I, III e IV e em última análise a oxidação dos nutrientes. UCP1 Leak No homem adulto, a resposta termogénica ao frio pode ser também mediada pelas hormonas tiroideias e pelo SNSimpático que ativam o leak de H nas mitocôndrias dos músculos e tecido adiposo castanho [Wijers et al. (2008) PLOSone 3: e1777]. No caso do músculo, os mecanismos e as proteínas envolvidas no aumento do grau de uncoupling mitocondrial são ainda controversos. A maioria dos adultos tem tecido adiposo castanho e UCP1. [Nedergard et al. (2011) Ann N York Acad Sci 1212: E20]. Quando se mede a BMR o indivíduo deve estar em jejum há h. Que acontece se tiver acabado de comer? A ingestão de alimentos provoca no consumo de (e na produção de calor). A despesa energética tem assim um 4º componente: efeito termogénico dos nutrientes (ou ação dinâmica específica = denominação que já entrou em desuso). 4 H (2 H 4 H ) I Q III cyt c IV 1 NADH NAD n/10 NADH n/10 NAD O n/10 O H2 O 10 H 2,5 ADP 2,5 V Simp. 2,5 ATP UCP1 e? n H Leak SNS 31 Causas mal conhecidas mas possivelmente associadas a... Aumento do gasto de ATP nos processos de armazenamento de glicose (síntese de glicogénio) e gorduras (síntese de triacilgliceróis) e da síntese proteica. Aumento da atividade de oxigénases e oxídases envolvidas na oxidação de AAs... Estimulação do SNSimpático com aumento do leak de H

9 A despesa energética total = somatório de (1) BMR (taxa metabólica basal) (2) despesa energética associada a atividade física (3) efeito termogénico dos nutrientes a) associado estritamente a hidrólise/síntese de ATP b) ação de oxídases e oxigénases e desacoplagem basal na fosforilação oxidativa (4) despesa energética associada à adaptação ao frio Quando se estuda o equilíbrio energético, uma boa analogia para o ser vivo é uma lareira em que o calor produzido e o consumido correspondem à despesa energética. Tal como numa lareira o calor libertado é a diferença entre as entalpias dos reagentes (compostos orgânicos que se oxidam e oxigénio que se reduz) e as entalpias dos produtos (C H 2 O compostos orgânicos incompletamente 33 oxidados). Que acontece se um indivíduo não se alimentar durante algum tempo? A formação contínua de ADP mantém ativos os processos oxidativos e o indivíduo vai oxidando os seus próprios lipídeos, glicídeos e proteínas. A quantidade total de calor libertado (ou consumido) é a despesa energética. Se a lareira não for alimentada com lenha acaba por apagar-se por falta de combustível... Para manter a lareira acesa e com tamanho constante é necessário adicionar-lhe os combustíveis que se vão queimando... Um indivíduo em equilíbrio energético (= balanço energético nulo) mantém constante a massa corporal porque toma do exterior energia metabolizável dos alimentos = despesa energética. 34 A que é que corresponde a energia não metabolizável dos alimentos? Ainda é possível (por combustão completa numa fornalha) obter energia das fezes, da urina e dos gazes expirados Valores médios... em kcal/g Oxidação completa num calorímetro, lareira Oxidação humana. Energia metabolizável dos alimentos absorvidos e das reservas energéticas. Energia metabolizável dos alimentos que irão ser ingeridos parte da energia dos alimentos não é metabolizada A energia não metabolizável dos alimentos é variável e, num indivíduo sem problemas gastrointestinais, depende dos alimentos ingeridos e do seu processamento: 1- As proteínas geram ureia (da urina) e não N 2 2- Os combustíveis perdidos nas excreções não representam energia metabolizável.... a celulose e outras fibras da dieta não são absorvidas... dependendo do grau de cozedura uma parte dos nutrientes não é digerida nem absorvida... e perde-se nas fezes... parte do álcool ingerido e dos corpos cetónicos formados perdem-se na urina e no ar expirado 35 Glicídeos (amido ou glicogénio) 4,1 4,1 4 (absorção incompleta) Proteínas 5,9 4,3 (ureia e não N 2 ) 4 (absorção incompleta) Lipídeos (triacilgliceróis) 9,5 9,5 9 (absorção incompleta) Etanol 7,1 7,1 7 (perdas na respiração e urina) Nota: é frequente na literatura médica usar-se a expressão Cal como sinónimo de kcal. 36

10 Se a energia metabolizável dos alimentos = despesa energética o indivíduo tem balanço energético nulo. Um balanço energético nulo não é sinónimo de alimentação saudável: Quando falamos de balanço energético não é adequado pensar em períodos curtos de tempo. Taxa da despesa energética total e ingestão calórica ao longo de um dia num indivíduo adulto sedentário jantar Energia metabolizável almoço dos alimentos pequeno almoço ingeridos lanche Períodos de ginástica Se a energia metabolizável dos alimentos > despesa energética balanço energético positivo... diferença = energia de oxidação da matéria orgânica que se acumula no ser vivo... Se a energia metabolizável dos alimentos < despesa energética balanço energético negativo... diferença = energia de oxidação da matéria orgânica do ser vivo que se oxida e não 37 é reposta... a dormir Ao longo das horas de um dia quase (termogénese associada à ingestão de alimentos) não há relação entre a (1) energia metabolizável dos nutrientes ingeridos e a (2) despesa energética. Despesa energética total A maior parte dos adultos tende a manter o peso mais ou menos estável durante largos períodos de tempo (meses ou anos) existem mecanismos neuroendócrinos que 38 tendem a ajustar o valor calórico da dieta (apetite) ao da despesa energética. Nos mamíferos adultos saudáveis e com alimentos disponíveis (e apetecíveis ) a energia metabolizável dos alimentos tende a equilibrar (ou a suplantar ligeiramente) a despesa energética (= balanço energético nulo ou ligeiramente ). Na regulação homeostática da ingestão de alimentos estão envolvidas hormonas libertadas no tubo digestivo, no pâncreas e no tecido adiposo. O hipotálamo é o local do cérebro mais importante na regulação do apetite. Por exemplo: 1) A leptina é uma hormona sintetizada no tecido adiposo a uma velocidade proporcional à sua massa. A leptina tem recetores em núcleos hipotalâmicos que quando estimulados pela leptina inibem o apetite. 2) A colescistocinina é libertada no intestino quando uma refeição contém lipídeos; estimula o nervo 39vago induzindo saciação. Antes que apodreçam, o sítio mais seguro para guardar os alimentos em excesso é no próprio tecido adiposo. Os mecanismos homeostáticos neuroendócrinos tendem a manter a energia metabolizável dos alimentos igual à despesa energética mas... os hábitos dietéticos e a baixa atividade física na civilização ocidental moderna aumento de peso médio de cerca de 10 kg entre os 25 e os 40 anos de idade. Qual o valor da diferença entre a energia metabolizável dos alimentos e a despesa energética que explica este aumento de peso? 8 000g * 9,5 kcal/g = kcal 400g * 4,3 kcal/g = kcal kcal kcal / (365 dias *15 anos) = excesso médio de 14,2 kcal por dia Considerando uma despesa energética média de 2400 kcal/dia... para engordar 10 kg em 15 anos basta ter um balanço energético positivo de 0,59 %. O único método de avaliação do balanço energético é a comparação da massa corporal (eventualmente complementada com a avaliação da sua composição) 40 em dois momentos temporais (intervalo > 1 mês, por exemplo).

11 A variação no tempo da massa dos diferentes compartimentos do organismo (massa gorda e massa isenta de gordura) pode servir para saber se existe balanço energético positivo, nulo ou negativo e para quantificar o seu valor. Exemplo de um estudo que incluiu uma viagem à Antártida durante 95 dias [Stroud et al. (1994) Clin Sci 87 supp: 54] Valor calórico da dieta diária foi estimada = kcal/dia Défice calórico admitindo que: (1) variação de reservas de glicídeos = 0 (2) 20 % da massa isenta de gordura = proteína g Lip * 9,5 kcal/g = kcal g Pro * 4,3 kcal/g = kcal kcal balanço negativo ( kcal/95 dias) = kcal/dia A despesa energética diária foi estimada pela técnica da DLW = kcal/dia balanço negativo = ( ) = kcal/dia Aceitando os pressupostos, os dois valores (1541 e 1454 kcal/dia) deveriam ser 41 iguais; a pequena diferença resulta do erro experimental. O calorímetro indireto mede as velocidades de consumo de e a produção de C permitindo calcular a despesa energética e o Quociente Respiratório (QR) QR = moles ou volume C excretado / moles ou volume de consumido. O Quociente Respiratório (Respiratory Exchange Ratio) varia com o tipo de nutriente que está a ser oxidado. QR = C / O QR é 1 quando glicose (C 6 H 12 O 6 ) 6 6/6 = 1 6 CO se oxidam glicídeos 2 6 H 2 O e 0,7 quando se palmitato (C 16 H 32 ) 23 16/23 = 0,7 oxidam lipídeos. 16 C 16 H 2 O glutamina (C 5 H 10 O 3 N 2 ) 4,5 4 C 3 H 2 O 1 ureia leucina (C 6 H 13 N) 7,5 5,5 C 5,5 H 2 O 0,5 ureia 4/4,5 = 0,9 5,5/7,5 = 0,73 O QR das proteínas tem, em média, um valor intermédio 42 0,84. O QR é 1 se, num dado momento, o único nutriente a ser oxidado é a glicose (ou, e glicogénio). Glicose Na prática em todos os momentos oxidamos misturas de glicídeos, lipídeos e proteínas com diferentes proporções que dependem da: (1) dieta (mais ou menos rica em lipídeos versus glicídeos), (2) do estado nutricional e O QR seria 0,7 se, num dado momento, os únicos nutrientes a serem oxidados fossem lipídeos. Triacilgliceróis QR = 1 (3) da intensidade do exercício físico. QR = 0,7 Num indivíduo em balanço energético nulo em que a composição corporal também não varia, o seu QR médio = QR da dieta (food RQ). 30 dias com despesa de 70 kg de peso 2400 kcal/dia = kcal e igual valor de energia metabolizável na dieta Dieta: X g de glicídeos Y g de lipídeos Z g de proteínas X g de glicídeos oxidados Y g de lipídeos oxidados Z g de proteínas oxidadas 70 kg de peso Quando estamos a emagrecer (balanço energético negativo) oxidamos toda a dieta triacilgliceróis endógenos QR < QR da dieta Quando estamos a engordar (balanço energético positivo) oxidamos todos os glicídeos da dieta, mas parte dos ácidos gordos da dieta são armazenados QR > QR da dieta 44

12 O QR aumenta, aproximando-se de 1, quando oxidamos glicídeos e baixa, aproximando-se de 0,7, quando oxidamos lipídeos. QR entre 1 e 0,95 No período pós-prandial (de uma refeição que contenha glicídeos), a insulina está alta (1) estimulação das enzimas (glicocínase, cínase da frutose-6-p hepáticas e desidrogénase do piruvato) e dos transportadores (GLUT 4 no músculo) que promovem a oxidação da glicose, (2) inibição a lipólise ( hidrólise de triacilgliceróis nos adipócitos) e (3) inibição da carnitina-palmitiltransférase 1 (o que implica inibição da oxidação dos ácidos gordos). QR 0,85 No período pós-absortivo (jejum antes do pequeno almoço) a insulina está baixa (1) inibição das enzimas e transportadores que promovem a oxidação da glicose (2) estimulação a lipólise e (3) estimulação da carnitinapalmitil-transférase 1 (que promove a oxidação dos ácidos gordos). 45 Bibliografia consultada: 1. Brand, M. D. (2005) The efficiency and plasticity of mitochondrial energy transduction, Biochem Soc Trans. 33, Das, A. M. (2003) Regulation of the mitochondrial ATP-synthase in health and disease, Mol Genet Metab. 79, DosSantos, R. A., Alfadda, A., Eto, K., Kadowaki, T. & Silva, J. E. (2003) Evidence for a compensated thermogenic defect in transgenic mice lacking the mitochondrial glycerol-3-phosphate dehydrogenase gene, Endocrinology. 144, Hansford, R. G. & Zorov, D. (1998) Role of mitochondrial calcium transport in the control of substrate oxidation, Mol Cell Biochem. 184, Korzeniewski, B., Noma, A. & Matsuoka, S. (2005) Regulation of oxidative phosphorylation in intact mammalian heart in vivo, Biophys Chem. 116, Rolfe, D. F. & Brown, G. C. (1997) Cellular energy utilization and molecular origin of standard metabolic rate in mammals, Physiol Rev. 77, Sharma, N., Okere, I. C., Brunengraber, D. Z., McElfresh, T. A., King, K. L., Sterk, J. P., Huang, H., Chandler, M. P. & Stanley, W. C. (2005) Regulation of pyruvate dehydrogenase activity and citric acid cycle intermediates during high cardiac power generation, J Physiol. 562, Silvestri, E., Schiavo, L., Lombardi, A. & Goglia, F. (2005) Thyroid hormones as molecular determinants of thermogenesis, Acta Physiol Scand. 184, Zaninovich, A. A., Rebagliati, I., Raices, M., Ricci, C. & Hagmuller, K. (2003) Mitochondrial respiration in muscle and liver from coldacclimated hypothyroid rats, J Appl Physiol. 95, Frayn, K. N. (2010) Metabolic regulation. A human perspective., 3nd edn, Wiley-Blackwell, Oxford. 11. Elia, M. (2000) Hunger disease, Clin Nutr. 19, Flatt, J. P. (1995) McCollum Award Lecture, 1995: diet, lifestyle, and weight maintenance, Am J Clin Nutr. 62, Kalderon, B., Mayorek, N., Berry, E., Zevit, N. & Bar-Tana, J. (2000) Fatty acid cycling in the fasting rat, Am J Physiol Endocrinol Metab. 279, E Wijers, S. L., Saris, W. H. & van Marken Lichtenbelt, W. D. (2009) Recent advances in adaptive thermogenesis: potential implications for the treatment of obesity, Obes Rev. 10, Lopez, M., Varela, L., Vazquez, M. J., Rodriguez-Cuenca, S., Gonzalez, C. R., Velagapudi, V. R., Morgan, D. A., Schoenmakers, E., Agassandian, K., Lage, R., de Morentin, P. B., Tovar, S., Nogueiras, R., Carling, D., Lelliott, C., Gallego, R., Oresic, M., Chatterjee, K., Saha, A. K., Rahmouni, K., Dieguez, C. & Vidal-Puig, A. (2010) Hypothalamic AMPK and fatty acid metabolism mediate thyroid regulation of energy balance, Nat Med. 16, Cannon, B. & Nedergaard, J. (2010) Thyroid hormones: igniting brown fat via the brain, Nat Med. 16, Nedergaard, J., Bengtsson, T. & Cannon, B. (2010) Three years with adult human brown adipose tissue, Ann N Y Acad Sci. 1212, E Livesey, G. & Elia, M. (1988) Estimation of energy expenditure, net carbohydrate utilization, and net fat oxidation and synthesis by indirect calorimetry: evaluation of errors with special reference to the detailed composition of fuels, Am J Clin Nutr. 47, Wijers, S. L., Saris, W. H. & van Marken Lichtenbelt, W. D. (2009) Recent advances in adaptive thermogenesis: potential implications for the treatment of obesity, Obes Rev. 10,