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

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1 Regulação metabólica e equilíbrio energético 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 s seres vivos não têm chave de ignição: continuam a gastar gasolina (a oxidar ) mesmo quando estão parados. Laboratório de Bioquímica da Faculdade de Medicina do Porto 1 2 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 1700 kcal/dia (o calor que aumenta de 1ºC, 1700 kg de água) 70 Kg Porque é que, ao contrário do automóvel, o ser vivo continua a libertar calor e a consumir quando está parado? consumido 16 moles / dia (350 L) 3 Mesmo em repouso, os órgãos continuam activos ocorrendo processos cíclicos cujo somatório é a hidrólise de. Um exemplo é o transporte de iões. Na Na K K Ca Ca No final do ciclo as concentrações dos iões mantiveram-se constantes mas... ocorreu hidrólise de (acção da Na /K ase e Ca 2 ases). Na Na K K Ca Ca 4

2 Uma das consequências da entrada de Na e Ca 2 para dentro das células é facilmente observada nos casos do utros processos cíclicos cujo somatório é a hidrólise de são a degradação e síntese proteica e a degradação e síntese de ácidos nucleicos. coração e diafragma. Hidrólise incluindo a dependente da ubiquitina e AMP 2 2 GTP 2 H 2 GDP 2 Mesmo quando o indivíduo está em repouso, continuam a contrair-se e a relaxar-se ritmicamente. Neste processo mecânico participa a ase da actina-miosina que gasta. 5 RNAm nucleotídeos nucleosídeos 2 3 nucleosídeos Cínase de nucleosídeos difosfatos NTP Cínases 2 RNAm Polimérase do RNA 6 A BMR é medida quando o indivíduo está em jejum há 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 [glicose] plasma 5 mm : se se considerar o substrato alanina, 6 s 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. A A-P A-P A 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 C 6 Glicose Glicose-6-P Frutose-6-P Frutose-1,6-bisP C alanina 7 8

3 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. A síntese de ureia também está activa nas condições em que se mede a BMR e também consome. esterificação glicerol-3-p 6 triacilgliceróis 3 2 NH 4 carbamil-fosfato UREIA 2 gliceroneogénese piruvato ácidos gordos glicerol 9 aspartato 2 fumarato 10 Em condições de BMR, o grosso dos s é consumido no transporte iónico ( 30 %) e síntese proteica ( 30 %). Uma percentagem menor ( 5 %) é consumida pela ase da actinamiosina. Estima-se que nas condições BMR um indivíduo adulto de 70 kg hidrólise cerca de 40 mmoles/min (60 moles/dia). / min 5% trabalho mecânico 30% 30% transporte activo Na Ca 2 síntese proteica outros Na ausência de mecanismos que fosforilem o formado, todo o 11 do indivíduo ( 120 mmoles) se esgotaria em 3 min. Cada hidrolisado é imediatamente reposto: a concentração de é estacionária porque vel. de síntese = vel. de hidrólise. A reposição do (fosforilação do ) depende, em última análise, da oxidação dos pelo. Admitindo que se formam cerca de 2,5 s / átomo de oxigénio consumido (razão P: = 2,5 razão P: = 5) a velocidade de de / min 8 mmol de consumido / min 8 mmol respiratória /min (180 ml/min). C / min Na Ca 2 12

4 A oxidação dos é um processo exotérmico; para além de C e gera um terceiro produto: calor. Nas reacções de oxidação dos libertam-se cerca de 106 kcal / mole de consumido. 8 mmol respiratória / min 0,85 kcal/min C / min A BMR pode ser estimada medindo o consumido ou o calor libertado porque 13 existe proporcionalidade (quase perfeita) entre o consumido e o calor libertado. Na Ca 2 calor libertado num sistema onde ocorrem reacções = diferença entre as entalpias dos produtos e reagentes. A B C D Nos casos dos glicídeos e lipídeos, o calor libertado na sua oxidação é igual nos seres vivos e no calorímetro. de A de B de C de D H = calor libertado 14 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 mas... C... num ser vivo adulto as concentrações (e a quantidade total) dos intermediários, coenzimas,,,, etc. são estacionárias (quase não variam) e, consequentemente, não há consumo nem formação efectiva destes intermediários. calor libertado = H das reacções onde ocorreu 15 consumo efectivo de reagentes e formação efectiva de produtos. Exemplificando para o caso da oxidação do palmitato. palmitato C kcal processo de oxidação do palmitato está acoplado à síntese de e poderia pensar-se que a equação a escrever quando se pensa num organismo vivo inteiro deveria ser: palmitato C 16H H kcal Mas só sintetizamos uma molécula de quando uma se hidrolisa kcal... e o somatório das duas últimas equações é: palmitato C kcal 16

5 Que acontece à despesa energética quando um indivíduo aumenta a sua actividade física? Calor libertado >> 1700 kcal/dia consumido >> 16 moles / dia (>> 350 L) esforço físico provoca aumento das actividades da ase da actina-miosina e das ases do Na /K e do Ca 2. Que aconteceria se a despesa energética não aumentasse quando um indivíduo aumenta a sua actividade física? 8 mmol respiratória / min Na Ca mmol / min 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 17 despesa energética associada à actividade física voluntária C / min A concentração de desceria, a de e aumentaria e os processos dependentes de deixariam de ocorrer. 18 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? A 1ª resposta veio de estudos com mitocôndrias isoladas ainda antes de o modelo de Mitchell ter sido proposto ( = acelerador). Adaptando essa resposta à teoria de Mitchell. e síntase do gradiente electroquímico da membrana mitocondrial cadeia respiratória [] e [NAD ] desidrogénases do ciclo de Krebs, glicólise e oxidação em β H H H I dg3p-fad Q III cyt c II-FAD NAD desidrogénases IV H2 Chance e Williams (1955) JBC 217:383 H 19 glicose Frutose-6-P Frutose-1,6-BisP ruvato NAD acetil-coa Cínase da frutose-6-p NAD NAD Desidrogénase do piruvato e AMP Desidrogénase do isocitrato Desidrogénase do α-cetoglutarato utras observações feitas in vitro também apontam para a importância das variações de concentração de, AMP,, NAD e. e NAD e e NAD e e NAD e 20

6 AMP para além de ser um activador da glicólise também é activador do catabolismo dos ácidos gordos AMP é activador alostérico de uma cínase que inactiva a carboxílase de acetil- CoA o que baixa a concentração de malonil-coa o que activa a carnitina-palmitoil transférase I 21 No entanto, as variações na concentração celular do, AMP,,, NAD e são demasiado modestas para poderem por si só explicar completamente as marcadas variações de velocidade no consumo de oxigénio e quando a velocidade de síntese/hidrólise de aumenta durante o esforço muscular. Deverá haver outros factores reguladores NAD desidrogénases C Cadeia respiratória H (fora) H (dentro) Síntase do ases 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 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 10 µm) [Ca 2 ] na matriz da mitocôndria 23 Que efeitos provoca o Ca 2 nas enzimas relacionadas com a oxidação dos e a hidrólise do? NAD C desidrogénase do glicerol-3-p desidrogénases desidrogénases do piruvato do isocitrato do α-cetoglutarato Cadeia respiratória Complexos I e IV Ca 2 mitocôndrial H (fora) H (dentro) Síntase do Síntase do ases Ca 2 citoplasmático ase da actinamiosina ase do Ca 2 24

7 Quando se mede a BMR a temperatura ambiente tem de ser agradável. Que acontece se estiver frio? frio provoca do consumo de (e da produção de calor). A despesa energética tem assim um 3º componente: despesa energética associada à adaptação ao frio. Trémulo = [Ca 2 ]citoplasma que estimula processos de hidrólise de e de oxidação de. Estimulação do SNSimpático (SNS) adrenalina e noradrenalina Desacoplagem (uncoupling) entre fosforilação e oxidação mitocondrial Estimulação do sistema hipotálamo hipofisário - tiróide hormonas tiroideias Activação de ciclos fúteis aumento da velocidade de 25 hidrólise do Desacoplagem entre fosforilação e oxidação = da vel. da oxidação dos (reacções exotérmicas) sem na vel. de síntese/hidrólise de. > 8 mmol respiratória / min > 0,85 kcal/min C / min Na Ca 2 mas se 1 mol consumido 5 mol de formado... como é possível aumentar a vel. de consumo de sem aumentar a vel. de formação de? 26 4 H 2 H 4 H I Q III cyt c IV 10 H n H UCP1 SNS homem adulto não tem tecido adiposo castanho nem UCP1 mas também tem, no músculo esquelético e cardíaco, mecanismos (leak pingar e slip escorregar ) que podem diminuir a acoplagem oxidação fosforilação. 4 H 2 H 4 H 10 H n H 1 NAD n/10 n/10 NAD n/10 H2 2,5 2,5 2,5 Se a acoplagem não é perfeita para manter uma determinada velocidade de síntese de é necessário aumentar a velocidade de oxidação do e dos. leak 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 mitocôndria que, como a síntase do, deixa passar H a favor do gradiente mas não sintetiza. A passagem dos H diminui o gradiente electroquímico 27 facilitando a tarefa (estimulando) dos complexos I, III e IV. I Q III cyt c IV 1 NAD n/10 n/10 NAD 1 NAD n/10 n/10 NAD n/10 H2 I Q III cyt c IV 2,5 2,5 4 H 2 H 4 H -n H slip n/10 H2 2,5 SNS UCP2 UCP3 10 H 2,5 2,5 leak 2,5 28 SNS