Regulação do metabolismo oxidativo e equilíbrio energético Laboratório de Bioquímica da Faculdade de Medicina do Porto 1
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 activamente 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 10-18 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 O 2 consumido 15 moles / dia (330 L) Porque é que, ao contrário do automóvel, o ser vivo continua a libertar calor e a consumir O 2 quando está parado? 3
Mesmo em repouso, os órgãos continuam activos ocorrendo processos cíclicos cujo somatório é a hidrólise de ATP. Alguns exemplos: 1) Transporte iónico passivo via canais iónico e transporte activo via ATPases de membrana 2) Contracção e relaxamento muscular no diafragma e coração via acção da ATPase de actina-miosina 3) Síntese e hidrólise de ácidos nucleicos (RNA e DNA) e nucleotídeos 4) Síntese e hidrólise de proteínas 4
5) Ciclos de Cori e da alanina 6) Ciclos de substrato no sentido estrito 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 actinamiosina. ADP Estima-se que nas condições BMR um indivíduo adulto de 70 kg hidrólise cerca de 40 mmoles/min (60 moles/dia). + Pi 40 mmol ATP / min 5% trabalho mecânico transporte activo 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 6 outros
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 O 2. Admitindo que se formam cerca de 2,5 ATPs / átomo de oxigénio consumido (razão P:O = 2,5 razão P:O 2 = 5) a velocidade de 40 mmol de ATP / min 8 mmol de O 2 consumido / min O 2 8 mmol O 2 consumido na cadeia respiratória /min (180 ml/min). nutrientes ADP + Pi Na + Ca 2+ CO 2 + H 2 O 40 mmol ATP / min 7
A oxidação dos nutrientes é um processo exotérmico; para além de CO 2 e H 2 O gera um terceiro produto : calor. Nas reacções de oxidação dos nutrientes libertam-se cerca de 106 kcal / mole de O 2 consumido. O 2 8 mmol O 2 consumido na cadeia respiratória / min nutrientes ADP + Pi Na + Ca 2+ 0,85 kcal/min CO 2 + H 2 O 40 mmol ATP / min A BMR pode ser estimada medindo o O 2 consumido ou o calor libertado porque 8 existe proporcionalidade (quase perfeita) entre o O 2 consumido e o calor libertado.
O calor libertado num sistema onde ocorrem reacções = 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 6 O 2 23 O 2 6 CO 2 + 6 H 2 O + 669 kcal 16 CO 2 + 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 reacções de oxidação dos nutrientes mas... O 2 nutrientes CO 2 + H 2 O... num ser vivo adulto as concentrações (e a quantidade total) dos intermediários, coenzimas, ATP, ADP, Pi, etc. são estacionárias (quase não variam) e, consequentemente, não há consumo nem formação efectiva destes intermediários. O calor libertado = H das reacções onde ocorreu 10 consumo efectivo de reagentes e formação efectiva de produtos.
Exemplificando para o caso da oxidação do palmitato. palmitato + 23 O 2 16 CO 2 + 16 H 2 O + 2413 kcal O processo de oxidação do palmitato está acoplado à síntese de ATP e poderia pensar-se que a equação a escrever quando se pensa num organismo vivo inteiro deveria ser: palmitato + 23O 2 + 106ADP + 106Pi 16CO 2 + 16H 2 O +106ATP +106H 2 O + 1883 kcal Mas só sintetizamos uma molécula de ATP quando uma se hidrolisa... 106 ATP + 106 H 2 O 106 ADP + 106 Pi + 530 kcal... e o somatório das duas últimas equações é: palmitato + 23 O 2 16 CO 2 + 16 H 2 O + 2413 kcal 11
Uma parte (25-30%) do calor libertado e do oxigénio consumido em condições de medida da BMR não estão directamente 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:O 2 < 5, sempre). (2) Existem enzimas em cuja acção se consome O 2 e se liberta calor (várias oxigénases e oxídases) e que não são a oxídase do citocromo c (complexo IV). 15 mol de O 2 / dia kcal/dia 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 1 O 2 e calor (1) desacoplagem fisiológica entre oxidação e fosforilação + (2) oxigénases e oxídases O 2 e calor estritamente acoplados com síntese/hidrólise de ATP: 8 mmol / min x 1440 min = 11,5 moles / dia 0,85 kcal / min x 1440 min = 1224 kcal / dia BMR 12
Pensa-se que 20% a 25% da BMR se deve a desacoplagem fisiológica entre fosforilação e oxidação nas mitocôndrias= uma parte do O 2 reduzido a H 2 O pelo complexo IV na mitocôndria não está directamente relacionado com síntese de ATP. O 2 nutrientes ADP + Pi > 8 mmol O 2 consumido na cadeia respiratória / min Na + Ca 2+ > 0,85 kcal/min CO 2 + H 2 O 40 mmol ATP / min mas se 1 mol O 2 consumido 5 mol de ATP formado... como é possível aumentar a vel. de consumo de O 2 sem aumentar a vel. de formação de ATP?
4 H + (2 H + + 4 H + ) 10 H + n H + I Q III cyt c IV V Simp. Pi Proteína desacopladora (?) 1 NADH NAD + + n/10 + n/10 NADH NAD + O n/10 O H2 O 2,5 ADP + 2,5 Pi 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 O 2 ); por cada n protões bombeados n/10 NADH são oxidados. Actualmente admite-se que uma das proteínas responsáveis pelo leak de H + éo trocador ADP/ATP da membrana mitocondrial interna [Brand et al. (2005) Biochem J 392:353]. Outra parte do leak de H + poderá corresponder a actividades basais de várias UCPs 14 ( uncoupling proteins ).
Uma parte (embora menor) do O 2 gasto em condições de BMR não é sequer consumido na acção 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 O 2 e, indirectamente (via consumo de NADPH), estimulam a via das pentoses-fosfato e a produção de CO 2. Todos estes processos Glicose-6-P embora não directamente relacionados com a síntese NADP + de ATP são exotérmicos. 6-fosfo-gliconolactona Ribulose-5-P NADPH NADP + NADPH + CO 2 NADPH Etanol NADP + acetaldeído Acetil-CoA O 2 H 2 O Tetra-hidrobiopterina Di-hidrobiopterina Fenilalanina -cetoglutarato Tirosina CO 2 H 2 O H 2 O glutamato p-hidroxifenil-piruvato fumarato Homogentisato maleilacetoacetato H 2 O O 2 fumarilacetoacetato O 2 O 2 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 mas a relação é mais linear quando se relaciona a BMR com a massa magra. * CGL1= lipodistrofia congénita generalizada (deficit marcado de tecido adiposo por alteração na esterificação) Massa magra = massa corporal - 16 tecido adiposo
Quando um indivíduo engorda aumenta a sua massa de triacilgliceróis mas também a quantidade de tecido metabolicamente activo (citoplasma dos adipócitos, vasos sanguíneos do tecido adiposo, músculo, etc. = massa isenta de gordura ) BMR [Prentice et al. 1986, Br Med J 192: 983-87] Reciprocamente, quando se emagrece perde-se gordura, mas também a massa isenta de gordura BMR.
Contudo, quando se emagrece, a diminuição na BMR é maior que a que seria de esperar tendo em conta a diminuição de massa magra. A secreção normal de hormonas tiroideias e o tono simpático basal contribuem para a BMR porque: SNSimpático o leak de H + uncoupling nas mitocôndrias do tecido adiposo castanho (via estimulação de UCP1) e músculo (talvez via UCP3) Exemplo: turnover proteico vel. dos ciclos de substrato gasto de ATP Quando se emagrece: a secreção de hormonas tiroideias o tono simpático no tecido adiposo castanho (e músculo) turnover proteico 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 talvez outros ciclos de substrato ) e leak de H + Noutras doenças em que há da BMR (nomeadamente nos traumatismos, nos queimados e doenças infecciosas agudas) há do tono simpático e as causas (ainda mal estudadas) do aumento da BMR poderão ser semelhantes. Em todos os casos da BMR = consumo de O 2 e produção de CO 2 gasto de ATP trabalho do diafragma e coração
Que acontece à despesa energética quando um indivíduo aumenta a sua actividade física? Calor libertado >> 1600 kcal/dia O 2 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 x BMR. A despesa energética tem assim um 2º componente: despesa energética = BMR + despesa energética associada à actividade física 20
O esforço físico provoca aumento das actividades da ATPase da actina-miosina e das ATPases do Na + /K + e do Ca 2+. Que aconteceria se a despesa energética não aumentasse quando um indivíduo aumenta a sua actividade física? O 2 8 mmol O 2 consumido na cadeia respiratória / min nutrientes ADP + Pi Na + Ca 2+ 400 mmol ATP / min 40 mmol ATP / min CO 2 + H 2 O ATP A concentração de ATP desceria, a de ADP e Pi aumentaria e os processos dependentes de ATP deixariam de ocorrer. 21
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 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). 22
Adaptando a proposta do ADP como acelerador (Chance e Williams, 1955) à teoria de Mitchell H + H + H + H + I dg3p-fad Q III cyt c II-FAD IV V Simp. Pi NADH NAD + O desidrogénases H2 O ADP ATP ADP e ATP síntase do ATP gradiente electroquímico da membrana mitocondrial cadeia respiratória [NADH] e [NAD + ] desidrogénases do ciclo de Krebs, glicólise e oxidação em
Glicogénio Glicose Frutose-6-P Frutose-1,6-BisP Fosforílase do glicogénio Cínase da frutose-6-p AMP ADP e AMP ATP Outras observações feitas in vitro também apontam para a importância das variações de concentração de ADP, AMP, ATP, NAD + e NADH. Piruvato acetil-coa NAD + NADH NADH NAD + NAD + Desidrogénase do piruvato NADH Desidrogénase do isocitrato Desidrogénase do - cetoglutarato ADP e NAD + ATP e NADH ADP e NAD + ATP e NADH ADP e NAD + ATP e NADH 24
A concentração celular de AMP aumenta quando aumenta a de ADP: aumento da velocidade de hidrólise do ATP provoca aumento da concentração intracelular de AMP. O AMP (para além de ser um activador da glicogenólise e da glicólise) também é activador do catabolismo dos ácidos gordos. O AMP activa a AMPK que inactiva a carboxílase de acetil-coa o que baixa a concentração de malonil- CoA o que activa a carnitinapalmitoil transférase I 25 Oxidação em β
No entanto, as variações na concentração celular do ADP, AMP, Pi, ATP, NAD + e NADH são demasiado modestas (no coração são nulas) para poderem por si só explicar completamente as marcadas variações de velocidade no consumo de oxigénio e nutrientes quando a velocidade de síntese/hidrólise de ATP aumenta durante o esforço muscular. Deverá haver outros factores reguladores nutrientes NAD + desidrogénases H 2 O cadeia respiratória H + (fora) ADP+Pi síntase do ATP ATPases CO 2 NADH O 2 H + (dentro) ATP 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: 1466 26
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 M 10 M) [Ca 2+ ] na matriz da mitocôndria 27
Que efeitos provoca o Ca 2+ nas enzimas relacionadas com a oxidação dos nutrientes e a hidrólise do ATP? nutrientes NAD + H 2 O H + (fora) ADP+Pi Fosforólise e desidrogénase CO 2 NADH O 2 Cadeia respiratória H + (dentro) Síntase do ATP ATP ATPases cínase da fosforílase do glicogénio desidrogénase do glicerol-3-p Complexos I e IV Síntase do ATP ATPase da actinamiosina ATPase do Ca 2+ desidrogénases do piruvato do isocitrato do -cetoglutarato Ca 2+ mitocôndrial Ca 2+ citoplasmático 28
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 Estimulação do sistema hipotálamo hipofisário - tiróide hormonas tiroideias Desacoplagem (uncoupling) entre fosforilação e oxidação mitocondrial no tecido adiposo castanho. Activação de ciclos de substrato aumento da velocidade de hidrólise do ATP. do consumo de O 2 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 actividade é estimulada pelo Sistema Nervoso Simpático. SNSimp. 4 H + (2 H + + 4 H + ) 10 H + n H + I Q III cyt c IV V Simp. Pi UCP1 1 NADH NAD + + n/10 + n/10 NADH NAD + O n/10 O H2 O 2,5 ADP + 2,5 Pi 2,5 ATP Leak Quando o SNSimpático (e, indirectamente, 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 electroquímico facilitando a tarefa (estimulando) 30 dos complexos I, III e IV e em última análise a oxidação dos nutrientes.
No homem adulto, a resposta termogénica ao frio pode ser também mediada pelas hormonas tiroideias e pelo SNSimpático que activam 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 antiga convicção que o adulto quase não tem tecido adiposo castanho nem UCP1 foi recentemente questionada: a maioria dos adultos tem tecido adiposo castanho [Nedergard et al. (2011) Ann N York Acad Sci 1212: E20]. 4 H + (2 H + + 4 H + ) 10 H + n H + I Q III cyt c IV 1 NADH NAD + + n/10 NADH + n/10 NAD + O + n/10 O H2 O 2,5 ADP + 2,5 Pi V Simp. Pi 2,5 ATP UCP1 e? Leak SNS 31
Quando se mede a BMR o indivíduo deve estar em jejum há 10-18 h. Que acontece se tiver acabado de comer? A ingestão de alimentos provoca no consumo de O 2 (e na produção de calor). A despesa energética tem assim um 4º componente: efeito termogénico dos nutrientes (ou acção dinâmica específica = denominação que já entrou em desuso). Causas mal conhecidas mas possivelmente associadas a... Aumento do consumo de ATP nos processos de armazenamento de glicose (síntese de glicogénio) e gorduras (síntese de triacilgliceróis). Aumento da actividade de oxigénases e oxídases envolvidas na oxidação de AAs... Estimulação do SNSimpático com aumento do leak de H +
A despesa energética total = somatório de (1) BMR (taxa metabólica basal) a) associado estritamente a hidrólise/síntese de ATP b) acção de oxídases e oxigénases e desacoplagem na fosforilação oxidativa (2) despesa energética associada a actividade física (3) efeito termogénico dos nutrientes (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 O 2 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 (CO 2 + 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 activos os processos oxidativos e o indivíduo vai oxidando os seus próprios lipídeos, glicídeos e proteínas. A quantidade total de calor libertado (ou O 2 consumido) éa 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 parte da energia dos alimentos não é metabolizada A energia não metabolizável dos alimentos é variável e, num indivíduo sem problemas gastro-intestinais, 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 alcool ingerido e dos corpos cetónicos formados perdem-se na urina e no ar expirado 35
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 (ou valor calórico fisiológico) 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
Se a energia metabolizável dos alimentos = despesa energética o indivíduo tem balanço energético nulo. Um balanço energético nulo não é sinónimo de alimentação saudável: 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...
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 a dormir Despesa energética total 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. A maior parte dos adultos tende a manter o peso mais ou menos estável durante largos períodos de tempo (meses ou anos) existem mecanismos neuro-endócrinos 38 que 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 receptores 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 neuro-endócrinos tendem a manter a energia metabolizável dos alimentos igual à despesa energética mas... os hábitos dietéticos e a baixa actividade 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 = 76 000 kcal 400g * 4,3 kcal/g = 1 720 kcal 77 720 kcal 77 720 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).
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 = 5 070 kcal/dia Déficit calórico admitindo que: (1) variação de reservas de glicídeos = 0 (2) 20 % da massa isenta de gordura = proteína 14 500 g Lip * 9,5 kcal/g = 137 750 kcal 2 020 g Pro * 4,3 kcal/g = 8 686 kcal 146 436 kcal balanço negativo = 1 541 kcal/dia A despesa energética diária foi estimada pela técnica da água duplamente marcada em dois períodos de 15 dias cada = 6 524 kcal/dia balanço negativo = (6 524 5 070) = 1 454 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 indirecto mede as velocidades de consumo de O 2 e a produção de CO 2 permitindo calcular a despesa energética e o Quociente Respiratório (QR) QR = moles ou volume CO 2 excretado / moles ou volume de O 2 consumido. O Quociente Respiratório (Respiratory Exchange Ratio) varia com o tipo de nutriente que está a ser oxidado. QR = CO 2 / O 2 glicose (C 6 H 12 O 6 ) + 6 O 2 6 CO 2 + 6 H 2 O palmitato (C 16 H 32 O 2 ) + 23 O 2 16 CO 2 + 16 H 2 O glutamina (C 5 H 10 O 3 N 2 ) + 4,5 O 2 4 CO 2 + 3 H 2 O + 1 ureia leucina (C 6 H 13 O 2 N) + 7,5 O 2 5,5 CO 2 + 5,5 H 2 O + 0,5 ureia 6/6 = 1 16/23 = 0,7 4/4,5 = 0,9 5,5/7,5 = 0,73 O QR é 1 quando se oxidam glicídeos e 0,7 quando se oxidam lipídeos. 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 + O 2 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 + O 2 (3) da intensidade do QR = 1 exercício físico. QR = 0,7
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 QR 0,85 Durante o período absortivo de uma refeição que contenha glicídeos, a insulina está alta (1) estimulação das enzimas (glicocínase e cínase da frutose-6-p hepáticas, desidrogénase do piruvato) e dos transportadores (GLUT 4 no músculo) que promovem a oxidação da glicose, (2) inibição a lipólise (= hidrólise de triacilgliceróis) e (3) inibição da cartinina-palmitiltransférase 1 (o que implica inibição da oxidação dos ácidos gordos). Em jejum (antes do pequeno almoço, por exemplo) a insulina está baixa (1) inibição das enzimas e transportadores que promovem a oxidação da glicose (2) estimulação a lipólise e (3) estimulação da cartininapalmitil-transférase 1 (que promove a oxidação dos ácidos 44 gordos).
Em jejum (e em repouso ou com exercícios de baixa intensidade) o consumo de glicose é mais baixo que e o de lipídeos. No entanto, quando (mesmo em jejum) se aumenta a intensidade do exercício o consumo de glicose e de glicogénio muscular aumenta muito mais que o de gorduras o QR sobe e aproxima-se de 1 porque... 1- O Ca 2+ citoplasmático estimula (1a) a cínase da fosforílase do glicogénio e (2b) a fosfátase da desidrogénase do piruvato. 2- Mobilização de GLUT4 para a membrana sarcoplasmática independente da insulina (via AMPK). 3- [AMP] citoplasmático cínase-1 da frutose-6-p 4- Diminuição da oxidação em beta; talvez por inibição da carnitina-palmitil transférase I causada por descida do ph. QR=0,83 QR=0,93 glicogénio muscular glicose plasmática ácidos gordos livres plasmáticos Loon et al. (2001) J Physiol 536: 295-304. triacilgliceróis do musculo 45
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 = 72000 kcal e igual valor de energia metabolizável na dieta 70 kg de peso Dieta: O 2 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 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 Quando estamos a emagrecer (balanço energético negativo) oxidamos 46 toda a dieta + triacilgliceróis endógenos QR < QR da dieta
Se se está em jejum total (excepto água) prolongado (um mês por exemplo) o glicogénio hepático e muscular desaparece ao fim de poucos dias e oxidamos as nossas gorduras e proteínas. Admitamos que no dia 20 de jejum total gordura = 100 g / dia proteína = 50 g / dia BMR = 100 x 9,5 + 50 x 4,3 = 1165 kcal/ dia Ao longo do jejum prolongado a BMR vai baixando (porque as hormonas tiroideias baixam), a actividade física reduz-se a quase zero Qual o QR? L de CO 2 = 100 g/dia x 1,39 L/g + 50 g/dia x 0,75 L/g = 176,5 L / dia L de O 2 = 100 g/dia x 1,96 L/g + 50 g/dia x 0,94 L/g = 243 L / dia QR= 176,5 L CO 2 / 243 L O 2 = 0,73 No jejum total a única fonte de glicose é a gliconeogénese. O glicerol dos triacilgliceróis e os aminoácidos das proteínas fornecem substrato para a síntese de glicose. 1 g de TAG (glicerol) 0,1 g de glicose; 1 g de aminoácidos 0,6 g de glicose. 100 g x 0,1 + 50 g x 0,6 = 40 g de glicose; seria insuficiente para nutrir o cérebro 47 se, no jejum total, não estivesse activada a cetogénese
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