Metabolismo dos corpos cetónicos

Transcrição

1 Metabolismo dos corpos cetónicos Metabolismo dos corpos cetónicos; Rui Fontes Índice 1- A relevância dos ácidos β-hidroxibutírico e acetacético como combustíveis do cérebro no jejum prolongado Definição de corpos cetónicos e sua relevância no metabolismo energético do organismo em diferentes estados nutricionais As enzimas do ciclo do hidroxi-metil-glutaril-coa (ou ciclo de Lynen) estão na matriz das mitocôndrias hepáticas 2 4- A redução do acetoacetato a β-hidroxibutirato e a descarboxilação a acetona A oxidação do β-hidroxibutirato e do acetoacetato ocorre nos tecidos extrahepáticos A oxidação dos corpos cetónicos é um processo estritamente aeróbico Uma visão abrangente do metabolismo mostra que a oxidação dos corpos cetónicos é apenas a última etapa da oxidação dos ácidos gordos que lhe deram origem A importância da diminuição da razão [insulina]/[glicagina] na ativação da cetogénese Mecanismos de longo e de curto prazo que explicam o aumento da oxidação em β no fígado quando a razão [insulina]/[glicagina] diminui No fígado, durante o jejum, a velocidade de formação de acetil-coa excede a velocidade de oxidação de acetil- CoA no ciclo de Krebs e a síntase de HMG-CoA é ativada A produção de protões é concomitante com a síntese de corpos cetónicos e pode provocar crises de cetoacidose nos doentes com diabetes (sobretudo diabetes tipo I) Semelhanças e diferenças entre a conversão glicose lactato + H + e a conversão ácidos gordos corpos cetónicos + H A relevância dos ácidos β-hidroxibutírico e acetacético como combustíveis do cérebro no jejum prolongado Durante o jejum a glicemia baixa e isto diminui a libertação de insulina nas células β dos ilhéus de Langerhans. Nos adipócitos, a descida da insulinemia provoca aumento da atividade da lípase de triacilgliceróis do tecido adiposo e da lípase hormono-sensível. Estas lípases existem no citoplasma dos adipócitos e, juntamente com a lípase de monoacilgliceróis, participam na hidrólise dos triacilgliceróis aí presentes levando à libertação de ácidos gordos que saem para o plasma sanguíneo. O somatório da ação destas três lípases é descrito pela Equação 1. Durante o jejum, a maior parte dos tecidos (nomeadamente os tecidos muscular esquelético e cardíaco e o fígado) utiliza os ácidos gordos como combustível preferencial poupando glicose. Um exemplo é o palmitato em que o processo de oxidação é expresso pela Equação 2. Contudo, no cérebro (por razões desconhecidas [1]), a oxidação dos ácidos gordos tem um papel irrelevante do ponto de vista energético. Embora o combustível preferencial do tecido cerebral seja a glicose, à medida que o tempo de jejum aumenta, o cérebro passa também a usar como combustíveis os ácidos D-β-hidroxibutírico (CH 3CHOHCH 2COOH) e acetacético (CH 3COCH 2COOH; também pode ser designado por ácido β- cetobutírico) que são formados nas mitocôndrias do fígado por oxidação incompleta dos ácidos gordos. No jejum prolongado (alguns dias) o contributo da oxidação destes compostos para a despesa energética do cérebro pode ser maior que o da glicose. Equação 1 triacilglicerol + 3 H 2O 3 ácido gordo + glicerol Equação 2 palmitato (C 16H 32O 2) + 23 O 2 16 H 2O + 16 CO 2 2- Definição de corpos cetónicos e sua relevância no metabolismo energético do organismo em diferentes estados nutricionais Por razões de tradição (com mais de um século) os ácidos D-β-hidroxibutírico e acetacético e a acetona (CH 3COCH 3) são coletivamente designados por corpos cetónicos. No plasma sanguíneo a concentração dos corpos cetónicos varia de forma marcada com o estado nutricional: de valores da ordem de 0,02 mm (após uma refeição contendo glicídeos), aumenta para valores de 0,2 mm após horas de jejum, mas pode atingir valores tão altos como 6 mm após um jejum muito prolongado (vários dias). Quando a concentração plasmática é elevada pode dizer-se que o indivíduo está em cetose. A velocidade de oxidação dos corpos cetónicos pelo organismo é proporcional à sua concentração plasmática: é Página 1 de 5

2 praticamente nula no estado pós-prandial, representa cerca de 5-10% da despesa energética no período pós-absortivo (jejum matinal) e aumenta se o jejum se prolongar. 3- As enzimas do ciclo do hidroxi-metil-glutaril-coa (ou ciclo de Lynen) estão na matriz das mitocôndrias hepáticas No homem, a cetogénese ocorre nas mitocôndrias do fígado e o substrato para a formação dos corpos cetónicos é o acetil-coa formado durante a oxidação em β dos ácidos gordos. À via metabólica em que se forma o acetoacetato também se chama ciclo do hidroxi-metil-glutaril-coa (HMG-CoA) ou ciclo de Lynen. Por ação catalítica sucessiva da tiólase (Equação 3) e da síntase do HMG-CoA (Equação 4) três resíduos de acetato (2C) da acetil-coa dão origem ao resíduo β-hidroxi-metil-glutaril (6C) da HMG-CoA. A clivagem deste último composto por ação da líase do β-hidroxi-metil-glutaril- CoA (Equação 5) leva à formação do acetoacetato (4C) e acetil-coa. O caráter cíclico do processo (ver Fig. 1) fica evidenciado quando se constata que o acetil-coa aparece como substrato da 1ª enzima do ciclo e como produto da última. Equação 3 Equação 4 Equação 5 2 acetil-coa acetoacetil-coa + CoA acetil-coa + acetoacetil-coa + H 2O HMG-CoA + CoA HMG-CoA acetil-coa + acetoacetato A Equação 6 é o somatório das Equações 3-5 e mostra que o processo pode ser globalmente entendido como a formação de uma molécula com 4 carbonos (acetoacetato) a partir de dois resíduos acetilo (2C) do acetil-coa. Equação 6 2 acetil-coa + H 2O acetoacetato + 2 CoA 4- A redução do acetoacetato a β-hidroxibutirato e a descarboxilação a acetona Parte do acetoacetato formado pode converter-se nos outros dois corpos cetónicos. O ácido β- hidroxibutírico (4C) forma-se por ação catalítica da desidrogénase do D-β-hidroxibutirato (Equação 7) enquanto a descarboxilação do acetoacetato (com formação da acetona) é não enzímica (Equação 8). Equação 7 acetoacetato + NADH D-β-hidroxibutirato + NAD + Equação 8 acetoacetato acetona + CO 2 5- A oxidação do β-hidroxibutirato e do acetoacetato ocorre nos tecidos extrahepáticos A acetona não sofre metabolização no organismo e é eliminada nos pulmões e na urina. Os ácidos D-β-hidroxibutírico e acetacético não são utilizados como combustíveis pelo fígado. O seu transporte das mitocôndrias do fígado para o citoplasma e do citoplasma para o espaço extracelular envolve a atividade de simportes protão-monocarboxilatos [2]. Vertidos pelo fígado na corrente sanguínea entram em todas as células do organismo (via simporte com o protão) constituindo, juntamente com os ácidos gordos, os combustíveis preferenciais dos tecidos extra-hepáticos durante o jejum prolongado. A enzima que no fígado permite a formação de D-β-hidroxibutirato (ver Equação 7) é a mesma que, nos tecidos extra-hepáticos, permite a sua metabolização. No fígado, a desidrogénase do D-βhidroxibutirato catalisa a redução do acetoacetato pelo NADH e a consequente formação do D-βhidroxibutirato; nos tecidos extrahepáticos ocorre a reação inversa: o D-β-hidroxibutirato é oxidado pelo NAD + formando-se acetoacetato. A metabolização do acetoacetato implica a sua ativação a acetoacetil-coa numa reação de transferência de CoA em que o substrato dador é o succinil-coa (ação da succinil-coa-acetoacetato- CoA-transférase; ver Equação 9). Ao contrário do que acontece no fígado, a conversão de succinil-coa em succinato no ciclo de Krebs (que implica a ação catalítica da sintétase de succinil-coa: ver Equação 10) pode, nos tecidos extra-hepáticos e quando os corpos cetónicos estão a ser oxidados, envolver uma transférase (ver Equação 9) que catalisa a transferência do CoA do succinil-coa para o acetoacetato. O acetoacetil-coa formado sofre cisão tiolítica (Equação 3) e o acetil-coa formado é oxidado, no ciclo de Krebs/cadeia respiratória, a CO 2. O papel biológico da succinil-coa-acetoacetato-coatransférase como uma enzima importante no processo oxidativo dos corpos cetónicos fica evidenciado pelo facto de não existir no fígado (que não consome corpos cetónicos) e existir nos tecidos que (como os músculos e o cérebro) podem consumir corpos cetónicos [3]. Página 2 de 5

3 Equação 9 Equação 10 succinil-coa + acetoacetato succinato + acetoacetil-coa succinil-coa + GDP ou ADP + Pi succinato + CoA + GTP ou ATP Metabolismo dos corpos cetónicos; Rui Fontes 6- A oxidação dos corpos cetónicos é um processo estritamente aeróbico Tal como o catabolismo dos ácidos gordos, também o catabolismo dos corpos cetónicos depende estritamente de O 2 tendo nula ou pouca importância em células onde não há mitocôndrias (como os eritrócitos) ou onde estas escasseiam (como as da medula renal). As equações que descrevem o somatório dos processos que correspondem à oxidação completa do β-hidroxibutirato e do acetoacetato, incluindo a oxidação das moléculas de acetil-coa formadas a partir deles são, respetivamente, a Equação 11 e a Equação Equação 11 Equação 12 β-hidroxibutirato (C 4H 8O 3) + 4,5 O 2 4 CO H 2O acetoacetato (C 4H 6O 3) + 4 O 2 4 CO H 2O 7- Uma visão abrangente do metabolismo mostra que a oxidação dos corpos cetónicos é apenas a última etapa da oxidação dos ácidos gordos que lhe deram origem É de notar que, na oxidação dos corpos cetónicos, a razão entre o número de moles de CO 2 libertadas e de O 2 consumidas é de 1 no caso do acetoacetato, e de 0,89 no caso do β-hidroxibutirato. No entanto, em situações de jejum prolongado (quando a oxidação de corpos cetónicos é máxima), no organismo como um todo, a razão CO 2/O 2 é mais próxima de 0,7 (a razão que corresponde à oxidação do palmitato; ver Equação 2) que de 0,89 ou de 1. (A razão entre o número de moles de CO 2 libertado para a atmosfera e o número de moles de O 2 consumido num dado intervalo de tempo designa-se por Quociente Respiratório e, no jejum prolongado, é de cerca de 0,73.) De facto, os corpos cetónicos são apenas intermediários num processo que globalmente corresponde à oxidação dos ácidos gordos; oxidar corpos cetónicos é acabar o processo de oxidação dos ácidos gordos que ficou incompleto no fígado. 8- A importância da diminuição da razão [insulina]/[glicagina] na ativação da cetogénese A cetogénese aumenta durante o jejum e na diabetes tipo I porque, nestas circunstâncias, (i) há diminuição da razão de concentrações plasmáticas [insulina]/[glicagina] que implica uma (ii) oferta aumentada de ácidos gordos livres ao fígado e uma (iii) diminuição da atividade de síntese de malonil- CoA cuja concentração baixa permitindo (iv) um aumento da velocidade da oxidação em β e da síntese de acetil-coa (v) cuja oxidação só ocorre na exata medida das necessidades metabólicas neste órgão. Para além disto, a diminuição da razão [insulina]/[glicagina] também (vi) estimula diretamente o ciclo de Lynen estimulando a atividade da síntase da HMG-CoA [4]. No caso do homem, a glicagina só exerce efeitos no fígado, mas é neste órgão que ocorre a síntese de corpos cetónicos. 9- Mecanismos de longo e de curto prazo que explicam o aumento da oxidação em β no fígado quando a razão [insulina]/[glicagina] diminui A diminuição da insulina durante o jejum (ou a sua ausência na diabetes tipo I) implica um aumento da lipólise no citoplasma dos adipócitos e aumento da concentração plasmática de ácidos gordos (ver Equação 1). Os ácidos gordos entram para as células do organismo (incluindo os hepatócitos) onde são ativados a acis-coa. No fígado, a carboxílase de acetil-coa (ver Equação 13) é (1) inativada por fosforilação dependente da AMPK (por sua vez estimulada pela glicagina), (2) inibida alostericamente pelos acis-coa e (3) a sua síntese está diminuída quando a glicemia e a insulinemia são baixas e a concentração plasmática de glicagina está aumentada. Equação 13 acetil-coa + CO 2 + ATP malonil-coa + ADP + Pi A diminuição da síntese da carboxílase de acetil-coa é uma consequência da diminuição da transcrição do seu gene que está na dependência dos fatores de transcrição SREBP-1c e ChREBP. A síntese de SREBP-1c diminui e o ChREBP é fosforilado (e inativado) por ação da PKA (cuja atividade 1 Se admitirmos a formação de 2,5 ATPs por cada NADH oxidado e 1,5 por cada FADH2, a oxidação de uma molécula de β-hidroxibutirato levará à formação de 21,5 ATPs; no caso do acetoacetato seriam 19 ATPs. Estamos a admitir que se se formam 10 ATPs em consequência da oxidação de cada acetil-coa, que se formam 2 moléculas de acetil-coa por cada molécula de β-hidroxibutirato ou de acetoacetato e que se gasta 1 ATP no processo de ativação do acetoacetato (notar que a regeneração do succinato a succinil-coa gasta 1 ATP). Página 3 de 5

4 depende do AMP cíclico e portanto, da glicagina plasmática) quando o jejum se prolonga. A diminuição da razão de concentrações plasmáticas [insulina]/[glicagina] leva à diminuição da concentração intracelular do malonil-coa nos hepatócitos porque, nesta condição, há diminuição da atividade da carboxílase de acetil-coa. Em consequência da diminuição de concentração de malonil-coa vai haver aumento da atividade da carnitina-palmitil-transférase I e da velocidade da oxidação em β o que implica aumento da formação de acetil-coa. No fígado, ao contrário do que acontece no músculo (onde o destino metabólico da acetil-coa é a sua oxidação no ciclo de Krebs), um dos possíveis destinos metabólicos da acetil-coa formada é a formação de corpos cetónicos. 10- No fígado, durante o jejum, a velocidade de formação de acetil-coa excede a velocidade de oxidação de acetil-coa no ciclo de Krebs e a síntase de HMG-CoA é ativada Um dos destinos metabólicos da acetil-coa é a sua oxidação a CO 2 no ciclo de Krebs, mas a velocidade com que a acetil-coa é oxidada no ciclo de Krebs depende da velocidade de hidrólise do ATP. Um aumento do consumo de acetil-coa que permitisse compensar o aumento da sua formação só poderia ocorrer se houvesse, simultaneamente, um aumento proporcional no consumo de ATP hepático. Nas condições metabólicas em que há aumento da síntese de corpos cetónicos, nem todo o acetil-coa formado durante a oxidação em β hepática é oxidado a CO 2. O acetil-coa remanescente, devido à presença das enzimas do ciclo de Lynen e à ativação da síntase de HMG-CoA, é convertido em corpos cetónicos. Por mecanismos onde se destaca a indução/repressão do seu gene, a glicagina ativa e a insulina inibe a síntase da HMG-CoA. A cetogénese é um mecanismo que permite ao fígado oxidar grandes quantidades de ácidos gordos e, ao mesmo tempo, converter parte dos ácidos gordos aí chegados num combustível utilizável pelo cérebro. 11- A produção de protões é concomitante com a síntese de corpos cetónicos e pode provocar crises de cetoacidose nos doentes com diabetes (sobretudo diabetes tipo I) A diabetes tipo I deve-se à incapacidade de produzir insulina por destruição das células β dos ilhéus de Langerhans. Na ausência de terapêutica adequada da diabetes tipo I podem ocorrer crises que cursam com cetose e que, na ausência de tratamento, podem provocar coma e morte. Nestas crises, para além de a glicemia ser elevada, a concentração plasmática de corpos cetónicos pode ser extremamente alta (12 mm ou superior), mas a causa do coma não é propriamente esta concentração elevada de corpos cetónicos. O coma que ocorre nestas circunstâncias deve-se à descida do ph do plasma (acidose), já que os ácidos acetacético e β-hidroxibutírico são sintetizados com os protões respetivos. A acidose deste tipo designa-se de cetoacidose. O pka dos ácidos acetacético e D-β-hidroxibutírico é, em ambos os casos, inferior a 5 o que explica que, ao ph do sangue, estejam predominantemente na forma ionizada; ou seja, aquando da sua formação estes ácidos orgânicos sofrem protólise gerando protões (que baixam o ph) e os respetivos sais acetoacetato e D-β-hidroxibutirato. Durante a cetoacidose do diabético 2 os triacilgliceróis do tecido adiposo acabam convertidos nos ácidos acetacético e β-hidroxibutírico que são libertados para o plasma na forma dos respetivos sais e respetivos protões. 12- Semelhanças e diferenças entre a conversão glicose lactato + H + e a conversão ácidos gordos corpos cetónicos + H + Algumas semelhanças entre a acumulação de ácido láctico durante o esforço muscular intenso e a cetogénese durante o jejum podem ser enfatizadas. Em ambos os casos ocorre (i) catabolismo incompleto de nutrientes (o catabolismo é incompleto porque, quer aquando da formação do ácido láctico, quer aquando da formação dos corpos cetónicos, o ciclo de Krebs e a fosforilação oxidativa não aceleram de forma proporcional à formação de piruvato ou acetil-coa), (ii) acumulando-se intermediários do metabolismo que (iii) têm características ácidas e que (iv) são transportados através das membranas através da ação catalítica de simporters com o protão. 2 Embora a cetoacidose também possa ocorrer na diabetes tipo 2, este tipo de crise é muito mais frequente nos doentes com diabetes tipo 1. A razão da relativa resistência dos doentes com diabetes tipo 2 para terem crises de cetoacidose não está completamente esclarecida, admitindo-se que, nestes doentes, a (baixa) produção de insulina possa ser suficiente para impedir uma produção de corpos cetónicos capaz de fazer baixar o ph plasmático para valores anormais. Página 4 de 5

5 Modificadas as condições que levaram à sua acumulação, (v) diminuem de concentração porque acabam por sofrer oxidação completa (ou, no caso do ácido láctico, também conversão em glicose no fígado). As diferenças referem-se aos órgãos onde se formam e onde são maioritariamente consumidos: no caso dos corpos cetónicos a formação é hepática e o consumo extra-hepático; no caso do lactato a formação é extra-hepática e o consumo é (numa proporção elevada) hepático (ciclo de Cori). Também são diferentes os nutrientes de onde derivam: o lactato forma-se a partir da glicose e os corpos cetónicos a partir dos ácidos gordos. 1. Morris, A. A. (2005) Cerebral ketone body metabolism, J Inherit Metab Dis. 28, Halestrap, A. P. & Price, N. T. (1999) The proton-linked monocarboxylate transporter (MCT) family: structure, function and regulation, Biochem J. 343 Pt 2, Fukao, T., Lopaschuk, G. D. & Mitchell, G. A. (2004) Pathways and control of ketone body metabolism: on the fringe of lipid biochemistry, Prostaglandins Leukot Essent Fatty Acids. 70, Hegardt, F. G. (1999) Mitochondrial 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA synthase: a control enzyme in ketogenesis, Biochem J. 338 ( Pt 3), Fig. 1: Síntese de corpos cetónicos. Página 5 de 5