Regulação do metabolismo oxidativo e equilíbrio energético

Regulação do metabolismo oxidativo e equilíbrio energético 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: glicídeos e triacilgliceróis (e proteínas). Laboratório de Bioquímica da Faculdade de Medicina do Porto 1 2 À despesa energética de um indivíduo (1) em repouso físico e mental, (2) em jejum há 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 consumido 15 moles / dia (330 L) 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 Porque é que, ao contrário do automóvel, o ser vivo continua a libertar calor e a consumir quando está parado? 3 3) Síntese e hidrólise de ácidos nucleicos (RNA e DNA) e nucleotídeos 4) Síntese e hidrólise de proteínas 4

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

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 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... nutrientes C H 2 O... num ser vivo adulto as concentrações (e a quantidade total) dos intermediários, coenzimas, ATP, ADP,, etc. são estacionárias (quase não variam) e, consequentemente, não há consumo nem formação 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 16 C 16 H 2 O 2396 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 23 106ADP 106 16C 16H 2 O 106ATP 106H 2 O 1866 kcal Mas só sintetizamos uma molécula de ATP quando uma se hidrolisa... 106 ATP 106 H 2 O 106 ADP 106 530 kcal... e o somatório das duas últimas equações é: palmitato 23 16 C 16 H 2 O 2396 kcal 11 Uma parte (25-30%) do calor libertado e do oxigénio consumido em condições de medida da BMR não estão estritamente relacionados com síntese de ATP. (1) Nas mitocôndrias das células, não existe acoplagem perfeita entre oxidação de nutrientes e síntese de ATP (ou seja, a razão P: < 5, sempre). (2) Existem enzimas em cuja acção se consome e se liberta calor (várias oxigénases e oxídases) e que não são a oxídase do citocromo c (complexo IV). 15 mol de / dia kcal/dia 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 1 e calor (1) desacoplagem fisiológica entre oxidação e fosforilação (2) oxigénases e oxídases 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 reduzido a H 2 O pelo complexo IV na mitocôndria não está directamente relacionado com síntese de ATP. > 8 mmol consumido na cadeia respiratória / min > 0,85 kcal/min nutrientes C H 2 O ADP 40 mmol ATP / min Na Ca 2 mas se 1 mol consumido 5 mol de ATP formado... como é possível aumentar a vel. de consumo de O 13 2 sem aumentar a vel. de formação de ATP? 13 4 H I Q III cyt c IV 1 NADH NAD n/10 n/10 NADH NAD (2 H 4 H ) O n/10 O H2 O 10 H 2,5 ADP 2,5 V Simp. n H Proteína? 2,5 ATP Leak (pingar) Quando n protões entram na mitocôndria através de um transportador que não é a síntase de ATP (leak), a manutenção do gradiente electroquímico da membrana exige que n protões sejam bombeados para fora da mitocôndria. O bombeamento destes n protões não se traduzem em síntese de ATP mas este bombeamento está dependente da oxidação dos nutrientes (e da redução do ); por cada n protões bombeados n/10 NADH são oxidados. 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]. A acoplagem fosforilação/oxidação não é perfeita: para formar 40 mmols de ATP/ min gastam-se de facto mais de 8 mmols de O 14 2 /min. Se tivermos em linha de conta o leak a razão P: 4. Uma parte (embora menor) do 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 e, indirectamente (via consumo de NADPH), estimulam a via das pentoses-fosfato. 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 C Etanol NADPH NADP acetaldeído Acetil-CoA H 2 O Fenilalanina Tetra-hidrobiopterina Di-hidrobiopterina Tirosina -cetoglutarato C H 2 O H 2 O glutamato p-hidroxifenil-piruvato fumarato Homogentisato maleilacetoacetato H 2 O fumarilacetoacetato 15 acetoacetato A taxa de metabolismo basal (BMR) é, em geral, tanto maior quanto mais pesado é o indivíduo Toleban e col. Metab. (2008) 57:1155 * CGL1= lipodistrofia congénita generalizada (deficit marcado de tecido adiposo por alteração na esterificação) mas a relação é mais linear quando se relaciona a BMR com a massa magra. Massa magra = massa corporal - 16 tecido adiposo *

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 Quando emagrece tb a massa isenta de gordura BMR. De facto, quando o indivíduo engorda o aumento da BMR é ligeiramente maior do que o que seria de esperar tendo em conta o aumenta de massa magra e quando emagrece a diminuição na BMR também é ligeiramente maior que a que seria de esperar tendo em conta a diminuição de massa magra. O aumento (ou diminuição) desproporcional da BMR associado ao aumento de peso (ou ao emagrecimento) poderá estar relacionado com o aumento (ou diminuição) das hormonas tiroideias e do tono simpático. As hormonas tiroideias e o SNSimpático aumentam a taxa de metabolismo basal porque: o leak de H SNSimpático (uncoupling nas mitocôndrias) vel. dos ciclos de substrato Hidrólise ATP 17 Que acontece à despesa energética quando um indivíduo aumenta a sua actividade física? Calor libertado >> 1600 kcal/dia consumido >> 15 moles / dia (>> 330 L) A maioria dos indivíduos têm uma taxa metabólica máxima (máximo esforço físico durante um período curto de tempo) que é 10 x BMR. A despesa energética tem assim um 2º componente: despesa energética = BMR despesa energética associada à actividade física 18 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? 8 mmol consumido na cadeia respiratória / min nutrientes ADP Na Ca 2 400 mmol ATP / min 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). 40 mmol ATP / min C H 2 O ATP A concentração de ATP desceria, a de ADP e aumentaria e os processos dependentes de ATP deixariam de ocorrer. 19 20

Adaptando a proposta do ADP como acelerador (Chance e Williams, 1955) à teoria de Mitchell H H H I dg3p-fad Q III cyt c II-FAD O NADH NAD desidrogénases IV H2 O ADP e ATP síntase do ATP gradiente electroquímico da membrana mitocondrial cadeia respiratória [NADH] e [NAD] desidrogénases do ciclo de Krebs, glicólise e oxidação em H V Simp. ADP ATP 21 Glicogénio Glicose Frutose-6-P Frutose-1,6-BisP ruvato acetil-coa Fosforílase do glicogénio NAD Cínase da frutose-6-p NADH NAD Desidrogénase do piruvato NADH AMP ADP e AMP ATP Desidrogénase do isocitrato NAD Desidrogénase do - cetoglutarato NADH Outras observações feitas in vitro também apontam para a importância das variações de concentração de ADP, AMP, ATP, NAD e NADH. ADP e NAD ATP e NADH ADP e NAD ATP e NADH ADP e NAD ATP e NADH 22 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 23 Oxidação em β No entanto, as variações na concentração celular do ADP, AMP,, ATP, NAD e NADH são demasiado modestas 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 C NADH Cadeia respiratória H (fora) H (dentro) ADP Síntase do ATP ATP ATPases 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 24

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 25 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 Fosforólise e desidrogénase C NADH cínase da fosforílase do glicogénio desidrogénase do glicerol-3-p desidrogénases do piruvato do isocitrato do -cetoglutarato Cadeia respiratória Complexos I e IV Ca 2 mitocôndrial H (dentro) Síntase do ATP ATP Síntase do ATP Ca 2 citoplasmático ATPases ATPase da actinamiosina ATPase do Ca 2 26 Quando se mede a BMR a temperatura ambiente tem de ser agradável. Que acontece se estiver frio? A despesa energética tem um 3º componente: despesa energética associada à adaptação ao frio. Trémulo = [Ca 2 ]citoplasma que estimula processos de hidrólise de ATP. Estimulação do SNSimpático (SNS) adrenalina e noradrenalina Desacoplagem (uncoupling) entre fosforilação e oxidação mitocondrial Estimulação do sistema hipotálamo hipofisário - tiróide hormonas tiroideias Activação de ciclos de substrato aumento da velocidade de hidrólise do ATP. do consumo de e de nutrientes e da produção de calor. 27 O bebé humano tem tecido adiposo castanho, onde existe termogenina (UCP1; uncoupling protein 1) cuja actividade é estimulada pelas hormonas tiroideias e SNSimpático. SNSimp. 4 H (2 H 4 H ) 10 H n H I Q III cyt c IV 1 NADH NAD n/10 n/10 NADH NAD O n/10 O H2 O 2,5 ADP 2,5 V Simp. 2,5 ATP Quando o SNSimpático ou 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) 28 dos complexos I, III e IV e em última análise a oxidação dos nutrientes. UCP1 Leak

No homem adulto, a resposta termogénica ao frio pode ser também mediada pelas hormonas tiroideias e pelo SNSimpático que 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 convicção que o adulto quase não tem tecido adiposo castanho nem UCP1 foi recentemente questionada [Nedergard et al. (2007) Am J Physiol Endocrinol Metabol 293: E444]. 4 H (2 H 4 H ) I Q III cyt c IV 1 NADH NAD n/10 NADH n/10 NAD O n/10 O H2 O 10 H 2,5 ADP 2,5 V Simp. UCP1 e? 2,5 ATP n H Leak SNS 29 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 (e na produção de calor). A despesa energética tem assim um 4º componente: efeito termogénico dos nutrientes (ou acção dinâmica específica = denominação a entrar 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 30 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 consumido correspondem à despesa energética. Tal como numa lareira o calor libertado é a diferença entre as entalpias dos reagentes (compostos orgânicos que se oxidam e oxigénio que se reduz) e as entalpias dos produtos (C H 2 O compostos orgânicos incompletamente 31 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 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. 32

A que é que corresponde a energia não metabolizável dos alimentos? Ainda é possível (por combustão completa numa fornalha) obter energia das fezes, da urina e dos gazes expirados Valores médios... em kcal/g Oxidação completa num calorímetro, lareira Oxidação humana. Energia metabolizável dos alimentos absorvidos e das reservas energéticas Energia metabolizável dos alimentos que irão ser ingeridos (ou valor calórico fisiológico) 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 Glicídeos 4,1 4,1 4 (absorção incompleta) Proteínas 5,4 4,2 (ureia e não N 2 ) 4 (absorção incompleta) 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 Nota: é frequente na literatura médica usar-se a expressão Cal 33 34 Lipídeos 9,3 9,3 9 (absorção incompleta) Etanol 7,1 7,1 7 (perdas na respiração e urina) como sinónimo de kcal. Se a energia metabolizável dos alimentos = despesa energética o indivíduo tem balanço energético nulo. Um balanço energético nulo não é sinónimo de alimentação saudável: Quando falamos de balanço energético não é adequado pensar em períodos curtos de tempo. Taxa da despesa energética total e ingestão calórica ao longo de um dia num indivíduo adulto sedentário jantar Energia metabolizável almoço dos alimentos pequeno almoço ingeridos lanche Períodos de ginástica Se a energia metabolizável dos alimentos > despesa energética balanço energético positivo... diferença = energia de oxidação da matéria orgânica que se acumula no ser vivo... Se a energia metabolizável dos alimentos < despesa energética balanço energético negativo... diferença = energia de oxidação da matéria orgânica do ser vivo que se oxida e não é reposta... 35 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 36 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 37vago 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 * 9,3 kcal/g = 74 400 kcal 400g * 4,2 kcal/g = 1 680 kcal 76 080 kcal 76 080 kcal / (365 dias *15 anos) = excesso médio de 13,8 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 0,58 %. O único método de avaliação do balanço energético é a comparação da massa corporal (eventualmente complementada com a avaliação da sua composição) 38 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 [Straud 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 * 9,3 kcal/g = 134 900 kcal 2 020 g Pro * 4,2 kcal/g = 8 500 kcal 143 400 kcal balanço negativo = 1 510 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 (1510 e 1454 kcal/dia) deveriam ser iguais; a pequena diferença resulta do erro experimental. 39 O calorímetro indirecto mede as velocidades de consumo de e a produção de C permitindo calcular a despesa energética e o Quociente Respiratório (QR) QR = moles ou volume C excretado / moles ou volume de consumido. O Quociente Respiratório (Respiratory Exchange Ratio) varia com o tipo de nutriente que está a ser oxidado. QR = C / glicose (C 6 H 12 O 6 ) 6 6 C 6 H 2 O palmitato (C 16 H 32 ) 23 16 C 16 H 2 O glutamina (C5H10O3N2) 4,5 4 C 3 H 2 O 1 ureia leucina (C 6 H 13 N) 7,5 5,5 C 5,5 H 2 O 0,5 ureia 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 0,8. 40

O QR é 1 se, num dado momento, o único nutriente a ser oxidado é a glicose (ou e glicogénio). Glicose Na prática em todos os momentos oxidamos misturas de glicídeos, lipídeos e proteínas com diferentes proporções que dependem da: (1) dieta (mais ou menos rica em lipídeos versus glicídeos), (2) do estado nutricional e (3) da intensidade do exercício físico. O QR seria 0,7 se, num dado momento, os únicos nutrientes a serem oxidados fossem lipídeos. Triacilgliceróis 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 QR = 1 QR = 0,7 41 42 Dieta: X g de glicídeos Y g de lipídeos Z g de proteínas X g de glicídeos oxidados Y g de lipídeos oxidados Z g de proteínas oxidadas 70 kg de peso Quando estamos a 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 toda a dieta triacilgliceróis endógenos QR < QR da dieta 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 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 e (2) inibição a lipólise (= hidrólise de triacilgliceróis) e (3) inibição da cartinina-palmitiltransférase 1 (o que implica inibição da oxidação dos ácidos gordos). QR 0,85 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 43 gordos). Em jejum (e em repouso ou com exercícios de baixa intensidade) o consumo de glicose é mais baixo que e o de lipídeos. Loon et al. (2001) J Physiol 536: 295-304. 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 triacilgliceróis do musculo 44

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 = 106 g / dia proteína = 50 g / dia BMR = 106 x 9,3 50 x 4,2 = 1200 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 C = 106 g/dia x 1,39 L/g 50 g/dia x 0,75 L/g = 185 L / dia L de = 106 g/dia x 1,96 L/g 50 g/dia x 0,94 L/g = 256 L / dia QR= 185 L C / 256 L = 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. 106 g x 0,1 50 g x 0,6 = 41 g de glicose; seria insuficiente para nutrir o cérebro 45 se, no jejum total, não estivesse activada a cetogénese Bibliografia consultada: 1. Brand, M. D. (2005) The efficiency and plasticity of mitochondrial energy transduction, Biochem Soc Trans. 33, 897-904. 2. Das, A. M. (2003) Regulation of the mitochondrial ATP-synthase in health and disease, Mol Genet Metab. 79, 71-82. 3. DosSantos, R. A., Alfadda, A., Eto, K., Kadowaki, T. & Silva, J. E. (2003) Evidence for a compensated thermogenic defect in transgenic mice lacking the mitochondrial glycerol-3-phosphate dehydrogenase gene, Endocrinology. 144, 5469-79. 4. Hansford, R. G. & Zorov, D. (1998) Role of mitochondrial calcium transport in the control of substrate oxidation, Mol Cell Biochem. 184, 359-69. 5. Korzeniewski, B., Noma, A. & Matsuoka, S. (2005) Regulation of oxidative phosphorylation in intact mammalian heart in vivo, Biophys Chem. 116, 145-57. 6. Rolfe, D. F. & Brown, G. C. (1997) Cellular energy utilization and molecular origin of standard metabolic rate in mammals, Physiol Rev. 77, 731-58. 7. Sharma, N., Okere, I. C., Brunengraber, D. Z., McElfresh, T. A., King, K. L., Sterk, J. P., Huang, H., Chandler, M. P. & Stanley, W. C. (2005) Regulation of pyruvate dehydrogenase activity and citric acid cycle intermediates during high cardiac power generation, J Physiol. 562, 593-603. 8. Silvestri, E., Schiavo, L., Lombardi, A. & Goglia, F. (2005) Thyroid hormones as molecular determinants of thermogenesis, Acta Physiol Scand. 184, 265-83. 9. Zaninovich, A. A., Rebagliati, I., Raices, M., Ricci, C. & Hagmuller, K. (2003) Mitochondrial respiration in muscle and liver from cold-acclimated hypothyroid rats, J Appl Physiol. 95, 1584-90. 10. Frayn, K. N. (2003) Metabolic regulation. A human perspective., 2nd edn, Blackwell Science, Oxford. 11. Elia, M. (2000) Hunger disease, Clin Nutr. 19, 379-86. 12. Flatt, J. P. (1995) McCollum Award Lecture, 1995: diet, lifestyle, and weight maintenance, Am J Clin Nutr. 62, 820-36. 13. Kalderon, B., Mayorek, N., Berry, E., Zevit, N. & Bar-Tana, J. (2000) Fatty acid cycling in the fasting rat, Am J Physiol Endocrinol Metab. 279, E221-7. 14. Wijers, S. L., Saris, W. H. & van Marken Lichtenbelt, W. D. (2009) Recent advances in adaptive thermogenesis: potential implications for the treatment of obesity, Obes Rev. 10, 218-26. 46 Rui Fontes 4/3/2010