Oxidação dos ácidos gordos

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1 Oxidação dos ácidos gordos Oxidação dos ácidos gordos; Rui Fontes Índice 1- O papel dos triacilgliceróis endógenos e dos ácidos gordos na síntese de ATP A libertação de ácidos gordos para o plasma, o seu transporte no plasma e transmembranar e a sua ativação no interior das células do organismo O papel do sistema da carnitina no transporte de ácidos gordos de cadeia longa para a matriz mitocondrial Na oxidação em β ocorrem ciclos de encurtamento sucessivos em que se libertam unidade de dois carbonos (acetil-coa) e se perdem quatro eletrões As enzimas da oxidação em β são designadas pelas expressões: desidrogénase de acil-coa, hidrátase, desidrogénase do β-hidroxiacil-coa e tiólase A oxidação em β é um processo estritamente aeróbico que só pode funcionar acoplado com a atividade dos complexos da cadeia respiratória A oxidação do palmitato pelo O 2 e a síntese de ATP que lhe corresponde A concentração plasmática de ácidos gordos livres aumenta marcadamente quando a de insulina desce e isto estimula a oxidação em β A atividade da carnitina-palmitil-transférase I e a sua regulação pelo malonil-coa sintetizado na ação catalítica da carboxílase de acetil-coa Se a velocidade de hidrólise de ATP não variar existe uma relação inversa entre as velocidades de oxidação da glicose e de ácidos gordos Mecanismos envolvidos na ativação da oxidação de ácidos gordos nos músculos esqueléticos e cardíaco no estado de jejum Mecanismos envolvidos na diminuição da oxidação de ácidos gordos nos músculos esqueléticos e cardíaco no estado pós-prandial Mecanismos envolvidos na ativação da oxidação de ácidos gordos nos músculos durante o exercício físico Quando a intensidade do exercício aumenta para valores elevados o combustível preferencial passa a ser o glicogénio intramuscular e a oxidação dos ácidos gordos diminui A regulação da oxidação em β no fígado envolve mecanismos de longo prazo e os fatores de transcrição SREBP-1c, ChREBP e PPAR-α A ativação dos ácidos gordos de cadeia curta ocorre na matriz mitocondrial e o seu transporte para a matriz não depende do sistema da carnitina A oxidação do propionato ocorre via conversão em succinato A oxidação dos ácidos gordos de cadeia ímpar Quando um ácido gordo tem a dupla ligação num carbono impar intervém uma isomérase que catalisa a conversão de 3 -cis-enoil-coa em 2 -trans-enoil-coa Quando um ácido gordo contêm duplas ligações em carbonos par forma-se um intermediário 4 -cis- 2 -transdienoil-coa que é reduzido pelo NADPH Os ácidos gordos de cadeia muito longa são oxidados nos peroxissomas até formarem acis-coa mais curtos que prosseguem a sua oxidação na mitocôndria Os ácidos gordos com grupos metilo no carbono β são oxidados nos peroxissomas via oxidação em α A oxidação em ω ocorre no retículo endoplasmático do fígado e rim e não implica a ativação prévia dos ácidos gordos O papel dos triacilgliceróis endógenos e dos ácidos gordos na síntese de ATP Os ácidos gordos fazem parte da estrutura dos lipídeos das membranas (fosfolipídeos e glicolipídeos) e das lipoproteínas plasmáticas, mas mais de 95% dos ácidos gordos presentes no organismo humano fazem parte da estrutura de triacilgliceróis. Os triacilgliceróis formam gotículas de gordura no interior de muitas células do organismo como os hepatócitos e as fibras musculares, mas a esmagadora maioria encontra-se nos adipócitos, ou seja, no tecido adiposo. Os triacilgliceróis do tecido adiposo constituem a maior reserva energética do organismo. Página 1 de 13

2 Ao contrário do glicogénio, que praticamente se esgota ao fim de um ou dois dias de jejum, os triacilgliceróis do tecido adiposo de um indivíduo normal podem sustentar as suas necessidades energéticas durante cerca de 2 meses. Por ação de hidrólases do citoplasma das células os triacilgliceróis intracelulares geram ácidos gordos (e glicerol) e um dos papéis biológicos dos ácidos gordos é o de serem substratos de processos oxidativos que levam à sua conversão em CO 2 e consequente síntese de ATP. Ao contrário do que acontece com a glicose em que o processo catabólico pode ser anaeróbico e ocorrer apenas no citoplasma (glicólise anaeróbia), o catabolismo dos ácidos gordos depende de oxigénio e ocorre em organelos intracelulares com particular destaque para as mitocôndrias (oxidação em β). Na oxidação dos ácidos gordos também têm algum papel os peroxissomas e, em muito menor escala, o retículo endoplasmático (oxidação em ómega; ω). Embora esteja muito melhor estudada no fígado e músculos, presume-se que, com exceção dos eritrócitos, a oxidação dos ácidos gordos pode ocorrer em todos os outros tipos de células. No caso do cérebro, no entanto, as velocidades de oxidação dos ácidos gordos são tão baixas que não têm significado do ponto de vista da produção de ATP. Apesar disso, a oxidação em β cerebral (com destaque para o hipotálamo) tem sido objeto de intensa investigação porque parece ter um papel relevante nos mecanismos de regulação do apetite [1]. 2- A libertação de ácidos gordos para o plasma, o seu transporte no plasma e transmembranar e a sua ativação no interior das células do organismo Aquando da hidrólise dos triacilgliceróis presentes no citoplasma dos adipócitos formam-se, como produtos, glicerol e ácidos gordos que saem para o plasma sanguíneo. Estes ácidos gordos não estão esterificados e, por isso, dizem-se livres. A maior parte dos ácidos gordos libertados no tecido adiposo dizem-se de cadeia longa (porque contêm entre 10 e 18 carbonos) e são insolúveis em meio aquoso, mas não formam agregados no sangue porque se ligam (ligação não covalente) à proteína mais abundante no plasma: a albumina. Nos capilares dos tecidos, os ácidos gordos desligam-se da albumina e penetram nas células. O processo de transporte dos ácidos gordos através das membranas citoplasmáticas pode ser em parte não mediado e em parte mediado por transportadores de diferentes tipos (como, por exemplo, o FAT, da expressão inglesa fatty acid translocase ). Dentro das células, os ácidos gordos de cadeia longa estão ligados a uma proteína ligante de ácidos gordos. Por ação catalítica de sintétases de acil-coa (diversas isoenzimas extramitocondriais), estes ácidos gordos são ativados, ou seja, dão origem a acis-coa num processo em que se gasta ATP e se forma AMP e PPi (ver Equação 1). Esta reação é fisiologicamente irreversível porque a pirofosfátase inorgânica catalisa a rápida hidrólise do PPi formado. A ação da sintétase de acil-coa, ao converter ácidos gordos em acis-coa, cria o gradiente transmembranar que permite a captação dos ácidos gordos pelas células. Equação 1 ácido gordo + CoA + ATP acil-coa + AMP + PPi 3- O papel do sistema da carnitina no transporte de ácidos gordos de cadeia longa para a matriz mitocondrial Quer na dieta, quer nas reservas lipídicas do organismo, a maioria dos ácidos gordos contém entre 14 e 18 carbonos: são de cadeia longa. A maioria dos ácidos gordos é oxidada na matriz mitocondrial e, no caso dos ácidos gordos de cadeia longa, o passo limitante da velocidade do processo é o transporte de acil-coa através da membrana mitocondrial interna. Este processo de transporte é complexo (ver Fig. 1) e envolve a ação de uma transférase da membrana mitocondrial externa (carnitina palmitil-transférase I: Equação 2) que catalisa a transferência do acilo do acil-coa para a carnitina 1, um transportador da membrana mitocondrial interna que é um antiporte (troca acil-carnitina que entra por carnitina que sai; Equação 3) e uma outra transférase (localizada na membrana interna da mitocôndria mas cujo centro ativo está voltado para a 1 A carnitina é o β-hidroxi-trimetilamino-butirato. Para além de fazer parte da dieta normal é sintetizada endogenamente a partir da lisina. Na acil-carnitina, a ligação entre o ácido gordo e a carnitina envolve o grupo carboxilo do ácido gordo e o grupo hidroxilo da carnitina sendo de tipo éster. Página 2 de 13

3 matriz) que reverte o processo catalisado pela primeira transférase permitindo a formação de acil-coa na matriz (carnitina palmitil-transférase II: Equação 4). O somatório das equações 2-4 é a Equação 5. Equação 2 Equação 3 Equação 4 Equação 5 carnitina (fora) + acil-coa (fora) acil-carnitina (fora) + CoA (fora) acil-carnitina (fora) + carnitina (dentro) acil-carnitina (dentro) + carnitina (fora) acil-carnitina (dentro) + CoA (dentro) carnitina (dentro) + acil-coa (dentro) acil-coa (fora da mitocôndria) acil-coa (dentro da mitocôndria) 4- Na oxidação em β ocorrem ciclos de encurtamento sucessivos em que se libertam unidade de dois carbonos (acetil-coa) e se perdem quatro eletrões No interior da mitocôndria o acil-coa vai ser oxidado num processo designado por oxidação em β. Na oxidação em β ocorrem ciclos sucessivo de encurtamento; em cada ciclo, o carbono β (o carbono 3) do acilo é oxidado, liberta-se uma unidade de acetil-coa (2C) e o acil-coa é encurtado em 2 carbonos (ver Fig. 1). Em cada ciclo ocorrem quatro passos: o primeiro e o terceiro são catalisados por desidrogénases, o segundo por uma líase (hidrátase) e o último por uma transférase (tiólase). As equações 6-9 descrevem as ações catalíticas das enzimas envolvidas no processo: Equação 6 acil-coa (n carbonos) + FAD 2 -trans-enoil-coa 2 + FADH 2 Equação 7 2 -trans-enoil-coa + H 2O L-β-hidroxiacil-CoA Equação 8 L-β-hidroxiacil-CoA + NAD β-cetoacil-coa + NADH Equação 9 β-cetoacil-coa + CoA acetil-coa + acil-coa (n-2 carbonos) 5- As enzimas da oxidação em β são designadas pelas expressões: desidrogénase de acil- CoA, hidrátase, desidrogénase do β-hidroxiacil-coa e tiólase. O 1º passo é catalisado por uma desidrogénase que tem como grupo prostético o FAD (a desidrogénase de acil-coa; Equação 6) formando-se um acil-coa insaturado (com uma dupla ligação entre os carbonos 2 e 3). No 2º passo, uma hidrátase catalisa a hidratação do acil-coa insaturado formando-se um acil- CoA hidroxilado no carbono 3 (Equação 7). No 3º passo, uma outra desidrogénase (neste caso dependente do NAD +, a desidrogénase do β- hidroxiacil-coa; Equação 8) catalisa a formação de um acil-coa com um grupo cetónico no carbono 3: um β-cetoacil-coa. As ações catalíticas da desidrogénase de acil-coa e da desidrogénase do β- hidroxiacil-coa implicam, respetivamente, a redução do FAD e do NAD +. No último passo, o derivado oxidado no carbono β (β-cetoacil-coa) formado pela ação catalítica da desidrogénase do β-hidroxiacil-coa sofre tiólise (o CoA funciona como aceitador numa reação de transferência de acilo; Equação 9) formando-se um acetil-coa e um acil-coa em que o resíduo acilo está encurtado em dois carbonos relativamente ao acil-coa donde se partiu. O acil-coa gerado pode depois voltar a ser oxidado pelas mesmas enzimas ocorrendo vários ciclos de encurtamento. Quando se forma o derivado β-cetoacil-coa com 4 carbonos (o acetoacetil- CoA, também designado por β-cetobutiril-coa) a ação da tiólase gera duas unidades de acetil-coa. Embora as expressões desidrogénase de acil-coa, hidrátase, desidrogénase de β- hidroxiacil-coa e tioláse se possam usar no singular, a verdade é que existem diferentes isoenzimas que se diferenciam funcionalmente por terem maior ou menor atividade dependendo do tamanho da cadeia que se vai encurtando. As isoenzimas com maior atividade em cadeias mais longas situam-se na membrana mitocondrial interna; à medida que as cadeias vão sendo encurtadas vão tendo maior preponderância isoenzimas que se situam na matriz mitocondrial. No entanto, quer quando as isoenzimas estão localizadas na membrana interna da mitocôndria, quer quando estão na matriz, os centros ativos estão sempre voltados para a matriz trans-enoil-coa: enoil é um resíduo de um ácido gordo insaturado; 2 significa que a dupla ligação está no carbono 2 (entre o 2 e o 3); trans significa que é o isómero trans e não o cis. Página 3 de 13

4 6- A oxidação em β é um processo estritamente aeróbico que só pode funcionar acoplado com a atividade dos complexos da cadeia respiratória Ao contrário do catabolismo da glicose que pode ser anaeróbico (glicose 2 lactato), o catabolismo dos ácidos gordos só pode ocorrer na presença de O 2 que, por ação catalítica dos complexos da cadeia respiratória, oxida o FADH 2 e o NADH regenerando o FAD e o NAD + indispensáveis ao processo. À semelhança do que acontece com outras enzimas em que o FAD é grupo prostético (complexo II, por exemplo) também os eletrões do FADH 2 da desidrogénase de acil-coa são transferidos para a coenzima Q (ubiquinona); ver Fig. 1. Neste caso esta transferência ocorre através de uma cadeia de transferência de eletrões que envolve mais duas flavoproteínas (proteínas em que o grupo prostético é também o FAD). Como explicado na legenda da Fig. 1, o par de eletrões do FADH2 da desidrogénase de acil-coa é transferido para uma proteína da matriz mitocondrial que se designa por flavoproteína de transferência de eletrões (ETF; electron transfer flavoprotein). De seguida, uma enzima (outra flavoproteína) que se situa na membrana mitocondrial interna e que se designa por oxiredútase da ETF-ubiquinona catalisa o transporte do par de eletrões do FADH2 da forma reduzida da ETF para a ubiquinona. Assim, a oxidação dos acis-coa a 2 -trans-enoil-coa só pode prosseguir em novos ciclos catalíticos porque o FADH 2 formado (a forma reduzida do seu grupo prostético) é reoxidado, transferindo dois eletrões para a ubiquinona (Q) que se reduz a ubiquinol (QH2). Ou seja, quando o acil- CoA perde dois eletrões gerando 2 -trans-enoil-coa, esses eletrões vão entrar numa cadeia de transporte de eletrões que inclui três moléculas de FAD (que são os grupos prostéticos da desidrogénase de acil-coa, da ETF e da oxiredútase da ETF-ubiquinona) acabando por reduzir a ubiquinona da membrana mitocondrial interna a ubiquinol. A Equação 10 é a equação soma relativa às atividades da desidrogénase de acil-coa e da oxiredútase da ETF-ubiquinona. Equação 10 acil-coa + ubiquinona 2 -trans-enoil-coa + ubiquinol A reoxidação do ubiquinol implica a subsequente ação catalítica dos complexos III e IV da cadeia respiratória. A reoxidação do NADH que se forma aquando da ação catalítica da desidrogénase do β- hidroxiacil-coa depende da atividade dos complexos I, III e IV da cadeia respiratória. As unidades de acetil-coa geradas durante a oxidação em β são oxidadas a CO 2 pelas enzimas do ciclo de Krebs/cadeia respiratória que é, tal como a oxidação em β, um processo estritamente aeróbico. 7- A oxidação do palmitato pelo O2 e a síntese de ATP que lhe corresponde O palmitato (CH 3-(CH 2) 14-COOH) pode ser usado como exemplo do acoplamento existente entre a oxidação dos ácidos gordos e a síntese de ATP. O palmitato contém 16 carbonos e, porque não contém duplas ligações, diz-se saturado. A oxidação completa de um mole de palmitato pode ser descrita pelas equações que exprimem a ativação do palmitato (sintétase de acil-coa; Equação 11), a hidrólise do PPi (pirofosfátase inorgânica; Equação 12), a oxidação do palmitil-coa a 8 unidades de acetil-coa (Equação 13), a oxidação do acetil-coa no ciclo de Krebs (Equação 14), a oxidação do FADH 2 e do NADH pelo O 2 (que se considerou indissociável 3 da síntese de ATP; Equação 15) e a reação de conversão do AMP em ADP (cínase do adenilato; Equação 16): 3 Na Equação 15, para o cálculo do número de ATPs formados admitimos que à oxidação de um mole de NADH corresponde a formação de 2,5 moles de ATP e que à oxidação de um mole de FADH 2 correspondem 1,5 moles de ATP. Ignorou-se o facto de uma parte dos protões bombeados pelos complexos da cadeia respiratória poderem regressar à matriz por ação de proteínas diferentes da síntase do ATP e do transportador de fosfato/h + (por exemplo, as UCPs). Página 4 de 13

5 Equação 11 Equação 12 Equação 13 Equação 14 Equação 15 Equação 16 palmitato + CoA + ATP palmitil-coa + AMP + PPi PPi + H 2O 2 Pi palmitil-coa + 7 FAD + 7 NAD CoA + 7 H 2O 8 acetil-coa + 7 FADH NADH 8 acetil-coa + 16 H 2O + 8 ADP + 8 Pi + 24 NAD FAD 8 ATP + 24 NADH + 8 FADH CO CoA 31 NADH + 15 FADH O ADP Pi 31 NAD FAD + 46 H 2O ATP H 2O ATP + AMP 2 ADP A Equação 13 mostra que na formação de 8 unidades de acetil-coa (2C) a partir de um ácido gordo com 16 carbonos ocorrem 7 ciclos de encurtamento. A equação soma corresponde ao processo descrito pelas equações é a Equação 17. Equação 17 CH 3-(CH 2) 14-COOH + 23 O ADP Pi 16 CO H 2O ATP H 2O A Equação 17 mostra claramente que as enzimas envolvidas no processo de oxidação do palmitato permitem o acoplamento de um processo exergónico (a oxidação do palmitato) com um processo endergónico (a síntese de ATP) e que a energia libertada no primeiro faz com que o segundo possa ocorrer. 8- A concentração plasmática de ácidos gordos livres aumenta marcadamente quando a de insulina desce e isto estimula a oxidação em β Um fator importante na regulação da velocidade da oxidação em β é a concentração de ácidos gordos livres no plasma sanguíneo. Ao contrário do que acontece com a concentração plasmática de glicose, a concentração de ácidos gordos livres varia de forma muitíssimo marcada ao longo do dia. Aquando do jejum matinal (que também é às vezes designado por período pós-absortivo), a concentração plasmática de ácidos gordos pode ser na ordem de 0,5-1 mm 4 e desce para valores 10 a 20 vezes inferiores quando se ingere uma refeição que estimule a libertação de insulina. A libertação de ácidos gordos para o plasma é o resultado da lipólise (hidrólise dos triacilgliceróis) que ocorre no citoplasma dos adipócitos (tecido adiposo) e o processo é ativado pelas catecolaminas (adrenalina e noradrenalina) e inibido pela insulina. Quando a insulina diminui no plasma a ação das catecolaminas não é antagonizada pela insulina e a velocidade de libertação de ácidos gordos para o plasma sanguíneo aumenta, aumentando a sua concentração no plasma. Isto vai estimular a sua entrada para as células, a sua ativação a acis-coa (ver Equação 1) e a subsequente oxidação. 9- A atividade da carnitina-palmitil-transférase I e a sua regulação pelo malonil-coa sintetizado na ação catalítica da carboxílase de acetil-coa Outro fator regulador da oxidação dos ácidos gordos é o transporte dos acis-coa para dentro da mitocôndria e a enzima marca passo do processo é a carnitina-palmitil-transférase I, a componente do sistema de transporte que se situa na membrana mitocondrial externa e que tem como substratos os acis-coa e a carnitina (ver Equação 2). O aumento da concentração de acis-coa no citoplasma das células aumenta a atividade da enzima e se houver défice de carnitina a sua atividade fica diminuída. A carnitina-palmitil-transférase I é inibida pelo malonil-coa que se forma por ação catalítica da carboxílase de acetil-coa (ver Equação 18). Equação 18 acetil-coa + CO 2 + ATP malonil-coa + ADP + Pi Assim, para além do seu papel na lipogénese que ocorre nos tecidos em que esta via tem alguma relevância, a carboxílase de acetil-coa tem um papel importante na regulação da oxidação em β. Um aumento na sua atividade leva ao incremento da concentração de malonil-coa e, consequentemente, à inibição da carnitina-palmitil-transférase I e da oxidação em β. A diminuição da atividade da carboxílase de acetil-coa tem obviamente efeitos opostos. 4 Na diabetes não controlada a concentração plasmática de ácidos gordos livres pode atingir 2 mm. Página 5 de 13

6 Na regulação da atividade da carboxílase de acetil-coa podem estar implicados mecanismos de longo prazo (ativação ou inibição da síntese da enzima), mecanismos alostéricos (inibição por acis- CoA e ativação pelo citrato) assim como mecanismos de fosforilação e desfosforilação. A fosforilação inativa a carboxílase de acetil-coa e é catalisada pela AMPK (cínase de proteínas ativada pelo AMP); a desfosforilação é catalisada por fosfátases de proteínas e ativa a enzima. Pelo menos no caso do fígado, a forma fosforilada (ativa) da AMPK aumenta quando a glicagina está aumentada no plasma e isto provoca a fosforilação e a consequente inativação da carboxílase de acetil- CoA; isto diminui a concentração de malonil-coa com a consequente desinibição da carnitina-palmitiltransférase I e estimulação da oxidação em β. Pelo contrário, quer a desfosforilação (inativadora) da AMPK, quer a desfosforilação (ativadora) da carboxílase de acetil-coa estão dependentes de fosfátases ativadas pela insulina e isto leva à ativação da carboxílase de acetil-coa e, consequentemente, à inibição da oxidação em β. A maior ou menor relevância dos mecanismos alostéricos ou de fosforilação/desfosforilação na regulação da carboxílase de acetil-coa depende das células em que o processo ocorre. 10- Se a velocidade de hidrólise de ATP não variar existe uma relação inversa entre as velocidades de oxidação da glicose e de ácidos gordos Para uma determinada velocidade de hidrólise de ATP existe uma velocidade de oxidação de nutrientes que permite manter a velocidade de síntese de ATP igual à velocidade de hidrólise e a sua concentração estacionária. Quando, como aquando do exercício físico, há aumento da velocidade de hidrólise do ATP aumentam, quer a velocidade de oxidação da glicose, quer a dos ácidos gordos. No entanto, para um dado nível de velocidade de hidrólise de ATP existe uma relação inversa entre a velocidade de oxidação de glicídeos (glicose plasmática + glicogénio intracelular) e a velocidade de oxidação de ácidos gordos: a oxidação de glicídeos poupa ácidos gordos e vice-versa. A hiperglicemia pós-prandial, a insulina e níveis elevados de glicogénio provocam aumento na velocidade de oxidação dos glicídeos e diminuição na de oxidação dos ácidos gordos. Pelo contrário, no estado de jejum, o tecido adiposo liberta ácidos gordos para o plasma e os combustíveis preferenciais dos tecidos (nomeadamente dos músculos e do fígado) são os ácidos gordos. 11- Mecanismos envolvidos na ativação da oxidação de ácidos gordos nos músculos esqueléticos e cardíaco no estado de jejum Quando o indivíduo está em repouso, os músculos esqueléticos são responsáveis por cerca de 20% da despesa energética total e o músculo cardíaco por cerca de 10%. Nesta condição a proporção entre os tipos de nutrientes que estão a ser oxidados nos músculos depende do estado nutricional. No estado de jejum, quando a glicemia e a insulina plasmática estão relativamente baixas, fica estimulada a oxidação de ácidos gordos livres plasmáticos que têm origem no tecido adiposo. Quando a insulina está baixa há aumento da hidrólise dos triacilgliceróis armazenados nos adipócitos e da libertação de ácidos gordos livres para o plasma sanguíneo. Isto, provoca aumento da concentração de ácidos gordos livres e vai fazer aumentar a sua entrada para as fibras musculares e a subsequente ativação a acis-coa (ver Equação 1). Os acis-coa são, por um lado substratos da carnitina-palmitil-transférase I (ver Equação 2) e, por outro, inibidores da carboxílase de acetil-coa (Equação 18) e ambos os fatores favorecem a oxidação em β. A concentração citoplasmática de citrato aumenta nas fibras musculares quando aumenta a insulinemia e a glicemia, mas diminui durante o jejum. A baixa concentração de citrato durante o jejum também contribui para explicar a estimulação da oxidação em β nesta condição metabólica. O citrato é um estimulador alostérico da carboxílase de acetil-coa e, por isso, a baixa concentração do citrato provoca descida da concentração intracelular de malonil-coa. Porque o malonil-coa é um inibidor da carnitina-palmitil-transférase I, a sua descida vai estimular a oxidação em β. Ao contrário do que acontece no fígado, a regulação da atividade da carboxílase de acetil-coa nas fibras musculares não envolve mecanismos de longo prazo (transcrição do gene). Embora seja controverso, também ao contrário do que acontece no fígado (onde existem recetores para a glicagina), os mecanismos de regulação que envolvem a fosforilação e desfosforilação da carboxílase de acetil-coa por ação da AMPK podem não ter relevância fisiológica no músculo. Página 6 de 13

7 Página 7 de 13 Oxidação dos ácidos gordos; Rui Fontes 12- Mecanismos envolvidos na diminuição da oxidação de ácidos gordos nos músculos esqueléticos e cardíaco no estado pós-prandial Após uma refeição que contenha glicídeos os músculos oxidam preferencialmente a glicose do sangue. A insulina (elevada) mobiliza vesículas intracitoplasmáticas que contêm GLUT4 para a membrana sarcoplasmática aumentando a velocidade de entrada da glicose. Este processo, assim como a ativação pela insulina da desidrogénase do piruvato (via ativação da fosfátase da desidrogénase do piruvato) favorecem a oxidação da glicose. A baixa velocidade de oxidação de ácidos gordos nos músculos quando a insulina plasmática e a glicemia estão elevados envolve mecanismos inversos aos que foram referidos no ponto anterior. 13- Mecanismos envolvidos na ativação da oxidação de ácidos gordos nos músculos durante o exercício físico O exercício físico aumenta a despesa energética e, quando os níveis de intensidade do exercício são relativamente baixos ou moderados (correr a 10 km/h, por exemplo), as velocidades de oxidação dos nutrientes, nomeadamente a oxidação dos ácidos gordos livres plasmáticos (resultantes da lipólise no tecido adiposo), aumentam com a intensidade do exercício. Com base no que se sabe acerca da ação ativadora do AMP na AMPK e da ação desta enzima na inibição da síntese de malonil-coa seria de esperar que um dos mecanismos envolvidos na ativação da oxidação em β durante o exercício físico envolvesse estes processos. Seria de esperar que o aumento da concentração celular de AMP resultasse em diminuição da concentração de malonil-coa durante o exercício e fosse esta a razão do aumento da atividade da carnitina-palmitil-transférase I. No entanto, os dados disponíveis não apoiam esta ideia: a ativação da oxidação em β durante o exercício físico não parece envolver modificações na concentração intracelular de malonil-coa [2]. O aumento da oxidação dos ácidos gordos livres plasmáticos resulta, pelo menos em parte, do aumento da oferta de ácidos gordos livres aos músculos. Embora a concentração plasmática de ácidos gordos não aumente durante o exercício físico, o fluxo sanguíneo através dos músculos em contração aumenta várias vezes aumentando por isso a quantidade de ácidos gordos disponíveis para serem captados pelas fibras musculares. Em exercícios de baixa intensidade (cerca de 25% do consumo máximo de O 2, por exemplo) os ácidos gordos plasmáticos são o principal combustível dos músculos. Um dos mecanismos que está na origem do aumento da oxidação dos ácidos gordos livres plasmáticos nos músculos que deixam de estar em repouso envolve a translocação para a membrana sarcoplasmática de vesículas intracelulares que contêm o transportador de ácidos gordos FAT/CD36 (das expressões inglesas fatty acid translocase e cluster of differentiation 36 ). Este fenómeno é semelhante ao que ocorre no caso do GLUT4 para a glicose e faz aumentar a captação de ácidos gordos do sangue para as fibras musculares. A ativação pelo Ca 2+ das desidrogénases do isocitrato e α-cetoglutarato, dos complexos I e IV da cadeia respiratória e o aumento da velocidade de formação de ADP que estimula a síntase do ATP são fatores que contribuem para o aumento da oxidação de todos os nutrientes durante o exercício físico, incluindo os ácidos gordos que entram nas fibras musculares vindos do plasma e os que se libertam dentro das fibras musculares por hidrólise dos triacilgliceróis intramiocelulares. Apesar do aumento da captação e da oxidação dos ácidos gordos livres plasmáticos pelas fibras musculares, a sua concentração plasmática não diminui durante o exercício porque, simultaneamente, há aumento da lipólise no tecido adiposo. Este aumento da lipólise nos adipócitos é uma consequência do aumento da libertação de catecolaminas e da diminuição da concentração plasmática de insulina durante o exercício físico. A descida da insulina é causada pela adrenalina que inibe a libertação de insulina no pâncreas [3]. 14- Quando a intensidade do exercício aumenta para valores elevados o combustível preferencial passa a ser o glicogénio intramuscular e a oxidação dos ácidos gordos diminui Relativamente ao estado de repouso, um atleta de elite a correr a maratona pode ter um gasto energético que é cerca de 20 vezes superior à despesa energética em repouso e, neste caso, cerca de 90% da despesa energética do indivíduo resulta da hidrólise de ATP nos músculos que se estão a contrair. Intuitivamente poderíamos ser levados a pensar que, relativamente a intensidades moderadas, quando a intensidade do exercício é muito elevada a velocidade de oxidação de ácidos gordos seria maior, mas não é isso que acontece. Mesmo em jejum, quando a intensidade do exercício é muito

8 elevada (80% do consumo máximo de O 2, por exemplo), os combustíveis mais importantes passam a ser o glicogénio intramuscular e, em menor grau, a glicose plasmática. O aumento da oxidação dos glicídeos é explicado pelo aumento da mobilização (independente da insulina) de GLUT4 para a membrana sarcoplasmática, pela estimulação da glicogenólise intramuscular pelo AMP e pelo Pi (ativação alostérica e isostérica da fosforílase muscular) e pelo Ca 2+ (via ativação da cínase da fosforílase), pela estimulação da cínase da frutose-6-fosfato pelo AMP e a estimulação da desidrogénase do piruvato (via ativação da fosfátase da desidrogénase do piruvato pelo Ca 2+ ). Quando os níveis de intensidade do exercício aumentam de valores intermédios para valores muito elevados, o aumento da oxidação dos glicídeos acompanha-se de diminuição da oxidação de ácidos gordos. Um dos mecanismos que poderá estar na origem desta diminuição é a ativação da glicólise anaeróbia (formação de ácido láctico a partir de glicose) e a consequente descida do ph intracelular que inibe a carnitina-palmitil-transférase I e, portanto, a oxidação dos ácidos gordos [4]. Um outro fator poderá estar relacionado com a diminuição da concentração citoplasmática de carnitina livre e, portanto, da carnitina disponível para reagir com acis-coa e permitir o transporte de acis-coa para a mitocôndria (ver Equação 2). Esta diminuição da carnitina livre seria causada por acetilação da carnitina (formação de acetil-carnitina por uma enzima com uma atividade semelhante à palmitil-transférase da carnitina; ver Equação 19) que aumenta quando a oxidação de carbohidratos aumenta [2, 5]. Equação 19 acetil-coa + carnitina acetil-carnitina + CoA 15- A regulação da oxidação em β no fígado envolve mecanismos de longo prazo e os fatores de transcrição SREBP-1c, ChREBP e PPAR-α Também existem mecanismos de regulação a longo prazo na oxidação dos ácidos gordos e, estes mecanismos parecem ter maior relevância no fígado que noutros tecidos. Um dos aspetos desta regulação hepática envolve o aumento da transcrição do gene da carboxílase de acetil-coa (ver Equação 18) pela SREBP-1c e pelo ChREBP. A síntese de SREBP-1c é ativada pela insulina e inibida pelos ácidos gordos poli-insaturados. A atividade do ChREBP na ativação da transcrição depende de estar ou não fosforilado: a sua desfosforilação e consequente ativação é regulada pela xilulose-5-fosfato, um metabolito formado a partir da glicose e a sua fosforilação é uma ação da PKA que fica ativada quando a glicagina plasmática aumenta. O aumento da concentração da carboxílase de acetil-coa resulta em aumento da concentração de malonil-coa e em inibição da oxidação de ácidos gordos no fígado. A diminuição da concentração da carboxílase de acetil-coa tem, obviamente, o efeito oposto. Para além disto existe, no fígado, um outro mecanismo que também envolve a ação de ácidos gordos na transcrição de genes. Os ácidos gordos (nomeadamente os poli-insaturados e, entre estes, os da série ω3, como os ácidos α-linolénico e EPA) ligam-se a um fator de transcrição conhecido pela sigla PPAR-α (da expressão inglesa Peroxisome Proliferator-Activated Receptor α ). Esta ligação ativa o PPAR-α que, no fígado, se liga ao DNA estimulando a transcrição de genes que têm um papel relevante na oxidação dos ácidos gordos. Entre estes genes são de referir os que codificam a carnitina palmitil transférase I e as enzimas da oxidação em β mitocondrial e também da que ocorre nos peroxissomas (ver à frente) [3]. Para além dos ácidos gordos existem medicamentos que têm o mesmo efeito ativador do fator de transcrição PPAR-α e que se designam por fibratos. Os fibratos são usados na clínica para diminuir a concentração de triacilgliceróis do plasma. A esmagadora maioria dos triacilgliceróis que estão presentes no plasma sanguíneo são sintetizados no fígado a partir de acis-coa e glicerol-3-fosfato. A estimulação da oxidação hepática dos ácidos gordos diminui a quantidade que fica disponível para ser esterificada e libertada do fígado para o plasma A ativação dos ácidos gordos de cadeia curta ocorre na matriz mitocondrial e o seu transporte para a matriz não depende do sistema da carnitina Os ácidos gordos de cadeia curta ou média (<10 carbonos) são muito menos abundantes que os de cadeia longa, mas também fazem parte de alguns triacilgliceróis da dieta. Além disso, o acetato (2C) forma-se no metabolismo do etanol. O acetato, o propionato (3C) e o butirato (4C) também se 5 Os triacilgliceróis são libertados do fígado para o plasma incorporados em complexos lipoproteicos conhecidos pela sigla VLDL (da expressão inglesa Very Low Density Lipoproteins ). Página 8 de 13

9 formam no lúmen intestinal porque são produtos no metabolismo bacteriano dos carbohidratos que não foram absorvidos (maioritariamente fibras). Após a sua absorção, a oxidação dos ácidos gordos de cadeia curta ou média é, de um modo geral, semelhante aos de cadeia longa. No entanto, uma das características distintivas no processo é a não intervenção do sistema da carnitina: o sistema de transporte dos ácidos gordos de cadeia curta e média para a mitocôndria é independente do sistema da carnitina. Além disso, a sua ativação ocorre na matriz mitocondrial, por ação de uma sintétase de acil-coa (ver Equação 1) com maior especificidade para ácidos gordos com baixo número de carbonos (ver Fig. 1). 17- A oxidação do propionato ocorre via conversão em succinato A partir do acetato e do butirato forma-se acetil-coa que é oxidado no ciclo de Krebs, mas o metabolismo do propionil-coa, produto da ação da sintétase de acil-coa da matriz mitocondrial no propionato (e, como veremos, da oxidação em β dos ácidos gordos de cadeia ímpar e de alguns aminoácidos) tem um metabolismo diferente. Ao contrário do acetato e do butirato que têm um número par de carbonos, o propionato tem 3 carbonos. O propionil-coa é carboxilado (carboxílase do propionil-coa; ver Equação 20) a D-metilmalonil-CoA que através da ação de duas isomérases (ver Equação 21 e Equação 22) se converte em succinil-coa, um intermediário do ciclo de Krebs (ver Fig. 1). Equação 20 Equação 21 Equação 22 propionil-coa + CO 2 + ATP D-metil-malonil-CoA + ADP + Pi D-metil-malonil-CoA L-metil-malonil-CoA L-metil-malonil-CoA succinil-coa A oxidação completa do succinil-coa a CO 2 requer a sua prévia conversão em acetil-coa. Uma via pelo qual os intermediários do ciclo de Krebs podem ser convertidos em acetil-coa envolve a ação da carboxicínase do fosfoenolpiruvato, da cínase do piruvato e da desidrogénase do piruvato (succinil-coa succinato fumarato malato oxalacetato fosfoenolpiruvato piruvato acetil-coa). Nos órgãos que contêm todas as enzimas da gliconeogénese, o succinil-coa pode converter-se em glicose. 18- A oxidação dos ácidos gordos de cadeia ímpar A oxidação dos ácidos gordos de cadeia ímpar (muitíssimo mais raros que os de cadeia par) gera no processo oxidativo (para além de acetil-coa) propionil-coa (CH 3CH 2CO-SCoA): quando, após um certo número de ciclos oxidativos que libertam acetil-coa, a tiólase atua no pentanoil-coa (C5) liberta-se acetil-coa (C2) e propionil-coa (C3). Como já referido (ver Equações 20-22), o propionil-coa gera succinil-coa no seu metabolismo. 19- Quando um ácido gordo tem a dupla ligação num carbono impar intervém uma isomérase que catalisa a conversão de 3 -cis-enoil-coa em 2 -trans-enoil-coa Os ácidos gordos insaturados naturais (como o oleico (18:1;9) e o palmitoleico (16:1;9)), contêm, pelo menos, uma dupla ligação e as duplas ligações dos ácidos gordos insaturados naturais estão sempre na configuração cis. Quando a dupla ligação se encontra num carbono impar forma-se, em dado passo do processo oxidativo, um 3 -cis-enoil-coa. Um exemplo pode ser o caso do oleil-coa (18C) que, após 3 ciclos e a libertação de 3 moléculas de acetil-coa, gera um intermediário designado por 3 - cis-dodecenoil-coa (12C). O mesmo acontece, por exemplo, no caso do ácido linoleico (18:2;9,12) com a diferença de, neste caso, o intermediário em questão ser o 3 -cis- 6 -cis-dienoil-coa com 12 carbonos (ver Fig. 2). Os intermediários 3 -cis-enoil-coa não são substratos nem da desidrogénase de acil-coa nem da hidrátase. A ação da hidrátase só é possível após a ação de uma isomérase que converte o 3 -cisenoil-coa em 2 -trans-enoil-coa (ver Equação 23). O 2 -trans-enoil-coa é, seguidamente, por ação sequenciada da hidrátase, da desidrogénase do β-hidroxiacil-coa e da tiólase (ver Equações 7-9), encurtado em dois carbonos. Equação cis-enoil-coa 2 -trans-enoil-coa Página 9 de 13

10 É de notar que um ácido gordo insaturado está mais oxidado que o seu homólogo saturado com igual número de carbonos e que o número de ATPs que se pode obter aquando da sua oxidação é menor. Por exemplo, no caso do ácido oleico, dado que a desidrogénase de acil-coa não atua num dos ciclos de encurtamento (não atua no 4º ciclo), o número de ATPs formados é menor que no caso do ácido esteárico (1,5 ATPs menos). Quer o ácido esteárico quer o oleico têm 18 carbonos, mas o esteárico é um ácido gordo saturado. 20- Quando um ácido gordo contêm duplas ligações em carbonos par forma-se um intermediário 4 -cis- 2 -trans-dienoil-coa que é reduzido pelo NADPH Alguns ácidos gordos naturais (como o linoleico (18:2;9,12) e o α-linolénico (18:3;9,12,15) contêm duplas ligações em carbonos par. Nestes casos, depois de se terem libertado 4 acetis-coa, forma-se um intermediário 4 -cis-enoil-coa; no caso de, por exemplo, se ter partido do linoleil-coa forma-se o 4 -cis-enoil-coa com 10 carbonos (ver Fig. 2). Os intermediários 4 -cis-enoil-coa são oxidados pela desidrogénase de acil-coa formando-se um 4 -cis- 2 -trans-dienoil-coa (ver Equação 24) que não é substrato da hidrátase. A ação da hidrátase só é possível após a ação de uma redútase dependente do NADPH (ver Equação 25) e de uma isomérase (ver Equação 26) que, por ação sequenciada, convertem o 4 -cis- 2 -trans-dienoil-coa em 3 -transenoil-coa e este em 2 -trans-enoil-coa. O 2 -trans-enoil-coa é o substrato da hidrátase e a oxidação em β já pode prosseguir. Equação cis-enoil-coa + FAD 4 -cis- 2 -trans-dienoil-coa + FADH 2 Equação 25 NADPH + 4 -cis- 2 -trans-dienoil-coa NADP trans-enoil-coa Equação trans-enoil-coa 2 -trans-enoil-coa O NADPH necessário para este processo resulta da redução intramitocondrial do NADP + e esta redução pode ser catalisada por duas enzimas distintas: a desidrogénase do isocitrato mitocondrial usando NADP + como agente oxidante (ver Equação 27) e a transhidrogénase (ver Equação 28) [6]. A transhidrogénase é uma proteína da membrana interna da mitocôndria; a sua atividade pode ser entendida como um processo em que o movimento dos protões a favor do gradiente eletroquímico está acoplado com o processo endergónico de redução do NADP + pelo NADH (ver Fig. 2). Equação 27 isocitrato + NADP + α-cetoglutarato + NADPH + CO 2 Equação 28 NADH + NADP + + H + (citoplasma) NAD + + NADPH + H + (matriz) 21- Os ácidos gordos de cadeia muito longa são oxidados nos peroxissomas até formarem acis- CoA mais curtos que prosseguem a sua oxidação na mitocôndria Os ácidos gordos ditos de cadeia muito longa (com mais de 18 carbonos) são muito menos abundantes que os de cadeia longa e os peroxissomas intervêm nas fases mais precoces do seu processo oxidativo. Nestes organelos não há cadeia respiratória e a enzima que catalisa a oxidação dos acis-coa a 2 -trans-enoil-coa é uma oxídase (oxídase de acil-coa) que, tal como a desidrogénase de acil-coa, tem como grupo prostético o FAD. Na ação da oxídase de acil-coa, o O 2 funciona como oxidante que se reduz a peróxido de hidrogénio (ver Equação 29), enquanto a catálase catalisa a dismutação do H 2O 2 formado (ver Equação 30). Equação 29 acil-coa + O 2 2 -trans-enoil-coa + H 2O 2 Equação 30 2 H 2O 2 2 H 2O + O 2 Também existem nos peroxissomas as outras enzimas da oxidação β capazes de formar unidades de acetil-coa e de encurtar os acis-coa num número par de carbonos. Admite-se que o NADH formado durante a ação da desidrogénase do β-hidroxiacil-coa dos peroxissomas seja oxidado na mitocôndria, mas ainda não se conhecem os mecanismos envolvidos na transferência dos equivalentes redutores entre os peroxissomas e as mitocôndrias [7]. Nos peroxissomas também não há ciclo de Krebs: os mecanismos envolvidos no transporte das unidades de acetil-coa e dos acis-coa encurtados em unidades de 2 carbonos para a mitocôndria podem envolver a formação de derivados acilados (ou acetilados) da carnitina [7]. Página 10 de 13

11 22- Os ácidos gordos com grupos metilo no carbono β são oxidados nos peroxissomas via oxidação em α Alguns (são raros) ácidos gordos da dieta, como o ácido fitânico (presente no leite), contêm um grupo metilo no carbono β o que impede a ação catalítica da desidrogénase de acil-coa. A oxidação em β do ácido fitânico (ou melhor, do derivado ativado fitanoil-coa) só é possível após a oxidação do carbono α seguida de descarboxilação do carbono 1 (o carbono carboxílico). Estas reações, que ocorrem nos peroxissomas [7], para além de encurtarem numa unidade o número de carbonos do ácido fitânico, fazem com que o carbono que contém o metilo deixe de ser o carbono β e passe a ser o α. O ácido pristânico, assim originado, depois de ativado a pristanil-coa, já é substrato da desidrogénase de acil- CoA e a oxidação em β já pode processar-se. Assim, a oxidação em α é um via metabólica dos peroxissomas que permite a oxidação de ácidos gordos com grupos metilo no carbono β. 23- A oxidação em ω ocorre no retículo endoplasmático do fígado e rim e não implica a ativação prévia dos ácidos gordos Em grau variável, algumas moléculas de ácidos gordos podem ser oxidados no carbono ω (ómega, o último). O processo da oxidação em ω ocorre no retículo endoplasmático do fígado e rim envolvendo uma oxigénase de função mista contendo o citocromo P450 (que promove a formação de um grupo hidroxilo no carbono ω; ver Equação 31) e duas desidrogénases que oxidam, sucessivamente, esse grupo hidroxilo a aldeído e o aldeído formado a carboxilo (ver Equação 32 e Equação 33). Este processo leva à formação de ácidos dicarboxílicos que são maioritariamente excretados na urina. As Equações descrevem as reações em que o ácido octanóico, usado como exemplo, se converte em ácido subérico. Para além de ocorrer no retículo endoplasmático esta via oxidativa dos ácidos gordos tem uma característica que a distingue de todas as outras: os substratos e intermediários envolvidos no processo não estão ligados à coenzima A. A via de oxidação em ω fica ativada quando existem défices congénitos nas enzimas da oxidação em β. Por exemplo, no défice da desidrogénase de acil-coa de cadeias médias (MCAD) há aumento da excreção urinária dos ácidos dicarboxílicos subérico (C8) e adípico (C6). Equação 31 Equação 32 Equação 33 octanoato + NADPH + O 2 ω-hidroxioctanoato + NADP + + H 2O ω-hidroxioctanoato + NAD + semialdeído do octanoato + NADH semialdeído do octanoato + NAD + suberato + NADH 1. Lopez, M., Lelliott, C. J. & Vidal-Puig, A. (2007) Hypothalamic fatty acid metabolism: a housekeeping pathway that regulates food intake, Bioessays. 29, 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, Frayn, K. N. (2012) Regulação Metabólica. Uma perspetiva focada no organismo humano., U.P. Editorial, Porto. 4. Jeukendrup, A. E. (2002) Regulation of fat metabolism in skeletal muscle, Ann N Y Acad Sci. 967, Kiens, B. (2006) Skeletal muscle lipid metabolism in exercise and insulin resistance, Physiol Rev. 86, Jackson, J. B. (2003) Proton translocation by transhydrogenase, FEBS Lett. 545, Wanders, R. J. (2004) Peroxisomes, lipid metabolism, and peroxisomal disorders, Mol Genet Metab. 83, Página 11 de 13

12 Fig. 1: Ativação e oxidação em β mitocondrial de ácidos gordos de cadeia longa, do butirato (ácido carboxílico com 4 carbonos) e do propionato (ácido carboxílico com 3 carbonos). Apesar de o FAD, sendo o grupo prostético da desidrogénase de acil-coa, não poder, em sentido estrito, ser considerado um dos substratos da enzima, a Equação 6 costuma ser apresentada como a que descreve a sua atividade. No entanto, o par de eletrões aceites pelo FAD que é grupo prostético da enzima é transferido para uma outra molécula de FAD que é o grupo prostético de uma proteína citoplasmática que se designa por proteína de transferência de eletrões (ETF; electron transfer flavoprotein). Assim, na opinião do autor deste texto, haveria maior rigor de se considerasse a ETF como o verdadeiro substrato oxidante na reação catalisada pela desidrogénase de acil-coa. Esta ideia foi tida em conta quando se desenharam as Figuras. Página 12 de 13

13 Fig. 2: Ativação e oxidação em β do ácido linoleico (18:2;9,12). O ácido linoleico tem 2 duplas ligações, uma num carbono ímpar (o 9, que após 3 ciclos de oxidação em β passa a ser o 3) e outra num carbono par (o 12, que após 4 ciclos de oxidação em β passa a ser o 4). Página 13 de 13