Regulação do metabolismo oxidativo e equilíbrio energético

Regulação do metabolismo oxidativo e equilíbrio energético ruifonte@med.up.pt Departamento de Biomedicina da Faculdade de Medicina do Porto

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 ativamente 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 (336 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 ativos ocorrendo processos cíclicos cujo somatório é a hidrólise de ATP. Alguns exemplos: 1) Transporte iónico passivo via canais iónico e transporte ativo via ATPases de membrana 2) Contração e relaxamento muscular no diafragma e coração via ação da ATPase de 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 miosina. 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 ativo 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 outros 6

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 reações de oxidação dos nutrientes libertam-se cerca de 106 kcal / mole de O 2 consumido (= 19,8 kj/l). 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 reações = 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 reações 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 efetiva destes intermediários. O calor libertado = H das reações onde ocorreu consumo efetivo de reagentes e formação efetiva de produtos. 10

Exemplificando para o caso da oxidação da glicose. glicose + 6 O 2 6 CO 2 + 6 H 2 O + 669 kcal O processo de oxidação da glicose está acoplado à síntese de ATP e poderia pensar-se que a equação a escrever quando se pensa num organismo vivo inteiro deveria ser: glicose + 6 O 2 + 32 ADP + 32 Pi 6 CO 2 + 6 H 2 O + 32 ATP + 32 H 2 O + 509 kcal Mas só sintetizamos uma molécula de ATP quando uma se hidrolisa... 32 ATP + 32 H 2 O 32 ADP + 32 Pi + 160 kcal... e o somatório das duas últimas equações é: glicose + 6 O 2 6 CO 2 + 6 H 2 O + 669 kcal 11

Uma parte (talvez 25 %) do calor libertado e do oxigénio consumido em condições de medida da BMR não estão diretamente 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 ação 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 de O 2 / min x 1440 min = 11,5 moles de O 2 / dia 0,85 kcal / min x 1440 min = 1224 kcal / dia BMR 12

O 2 10,4 mmol de O 2 /min (> 8 mmol) nutrientes ADP + Pi Na + Ca 2+ 1,1 kcal/min (> 0,85 kcal/min) CO 2 + H 2 O + 40 mmol ATP / min Ao incluirmos o gasto de energia não diretamente relacionado com o gasto de ATP, o calor libertado passa a ser de 1,1 kcal/min em vez de 0,85 kcal/min. (1) 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 diretamente relacionado com síntese de ATP.

4 H + (2 H + + 4 H + ) 10 H + n H + I Q III cyt c IV V Simp. Pi Proteínas desacopladoras 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. Atualmente admite-se que uma das proteínas responsáveis pelo leak de H + é o trocador ADP/ATP da membrana mitocondrial interna [Brand et al. (2005) Biochem J 392:353]. Outra parte do leak de H + poderá corresponder a atividades basais de várias UCPs ( uncoupling proteins ). 14

(2) Uma parte (embora menor) do O 2 gasto em condições de BMR não é sequer consumido na ação 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, indiretamente (via consumo de NADPH), estimulam a via das pentoses-fosfato e a produção de CO 2. Todos estes processos Glicose-6-P embora não diretamente 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 Tetrahidrobiopterina Dihidrobiopterina Fenilalanina α-cetoglutarato glutamato Tirosina CO 2 H 2 O H 2 O p-hidroxifenil-piruvato fumarato homogentisato O 2 maleiloacetoacetato 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 ativo ( citoplasma dos adipócitos, vasos sanguíneos do tecido adiposo, músculo, fígado, rins, coração = 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 isenta de gordura. A secreção normal de hormonas tiroideias e o tono simpático basal contribuem para a BMR porque: o leak de H + nas mitocôndrias SNSimpático do tecido adiposo castanho (estimulação de UCP1) Sensibilidade do tecido adiposo castanho à noradrenalina o leak de H + nas mitocôndrias doutros tecidos (mecanismos desconhecidos) Exemplos: turnover proteico e turnover iónico vel. dos ciclos de substrato gasto de ATP Quando se emagrece: a secreção de hormonas tiroideias o tono simpático no tecido adiposo castanho Processos de turnover 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 iónico (e outros ciclos de substrato ) e leak de H + Noutras doenças em que há da BMR (nomeadamente nos traumatismos, nos queimados e doenças infeciosas agudas) há (1) do tono simpático que provoca leak de H + (2) da síntese (2.1) de proteínas de fase aguda no fígado e/ou (2.2) de proteínas nos processos de cicatrização (3) do trabalho cardíaco e dos músculos respiratórios

Que acontece à despesa energética quando um indivíduo aumenta a sua atividade física? Calor libertado >> 1600 kcal/dia O 2 consumido >> 15 moles / dia (>> 330 L) No exercício físico a despesa energética aumenta e nos indivíduos que não são atletas, em máximo esforço, essa despesa pode ser 10 BMR. A despesa energética tem assim um 2º componente: despesa energética = BMR + despesa energética associada à atividade física 20

O esforço físico provoca aumento das atividades da ATPase da miosina e das ATPases do Ca 2+ e do Na + /K +. Que aconteceria se a despesa energética não aumentasse quando um indivíduo aumenta a sua atividade 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 injetada 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 eletroquímico da membrana mitocondrial cadeia respiratória [NADH] e [NAD + ] desidrogénases do piruvato, do ciclo de Krebs, e da oxidação em β

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 α- cetoglutarato ADP e NAD + ATP e NADH ADP e NAD + ATP e NADH ADP e NAD + ATP e NADH 24

Em exercícios aeróbicos a 90% do máximo de consumo de O 2, a variação da concentração de ATP nos músculos esqueléticos em contração é quase impercetível, a de ADP pode aumentar 4 vezes e a de AMP 20 vezes. mm nos músculos esqueléticos 0,08 0,06 0,04 0,02 0 ADP (mm) ADP (mm) AMP (mm) 0 2 4 6 8 10 tempo de exercício físico a 90% de VO2 max (min) No entanto, neste mesmo tipo de exercícios a velocidade de hidrólise (e síntese) de ATP nas fibras musculares que se estão a contrair pode ser 100 vezes superior à basal. mm nos músculos esqueléticos 0,002 0,0015 0,001 0,0005 AMP (mm) AMP (mm) Concentrações em repouso: [ATP] = 5 mm [ADP] = 0,02 mm [AMP] = 0,0001 mm 0 0 2 4 6 8 10 tempo de exercício físico a 90% de VO2 max (min) Baseado em Spriet e col. (2000) Med Sci Sports Exerc; 32: 756 25

A ativação da glicólise pode ser, pelo menos parcialmente, causada pela estimulação da cínase 1 da frutose-6-fosfato pelo AMP (e inibição da frutose-1,6-bisfosfátase). As atividades simultâneas da cínase-1 da frutose-6-fosfato (v a ) e da frutose-1,6- bisfosfátase (v b ) constituiem um ciclo de substrato. A velocidade líquida no processo glicolítico é a diferença entre as velocidades das reações catalisadas (v a -v b ). Glicose-6-P Glicose-6-P v a -v b =1 v a -v b =1000 Pi v b =39 H 2 O Frutose-6-P ATP [AMP] v a =40 ADP Frutose-1,6-BisP v a -v b =1 Piruvato A contração muscular provoca [ADP] ( 4 x) e [AMP] ( 20 x). O AMP é ativador da cínase-1 da frutose-6-p e inibidor da frutose- 1,6-bisfosfátase. Pi v b =20 H 2 O Frutose-6-P Frutose-1,6-BisP Piruvato ATP [AMP] v a =1020 STOP + AD P v a -v b =1000 Um aumento de 25,5 vezes (1020/40) em v a e a diminuição simultânea para cerca de metade (20/39) em v b explicaria um aumento de 1000 vezes na velocidade da glicólise. 26

No caso do coração, a hidrólise (e síntese) de ATP pode aumentar 4 vezes, mas as variações nas concentrações intracelulares de ADP, AMP, Pi, ATP, NAD + e NADH são nulas. Em qualquer caso, as variações nas concentrações são sempre demasiado modestas para poderem, por si só, explicar completamente as variações de velocidade no consumo de oxigénio e nutrientes quando a velocidade de hidrólise (e síntese) de ATP aumenta durante o esforço muscular. nutrientes NAD + H 2 O H + (fora) ADP+Pi desidrogénases cadeia respiratória síntase do ATP ATPases CO 2 NADH O 2 H + (dentro) ATP vel.1 = vel.2 = vel.3 = vel.4 Ca 2+ Adaptado de Korzeniewski (2006) Am J Physiol Heart Circ Physiol 291: 1466 27

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 µm 10 µm) [Ca 2+ ] na matriz da mitocôndria 28

Que efeitos provoca o Ca 2+ nas enzimas relacionadas com a oxidação dos nutrientes e com 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 Complexos I e IV da cadeia respiratória Síntase do ATP ATPase da miosina desidrogénase do glicerol-3-p (membranar) ATPase do Ca 2+ desidrogénases do piruvato do isocitrato do α-cetoglutarato Ca 2+ mitocondrial Ca 2+ citoplasmático 29

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 no tecido adiposo castanho (UCP1). sensibilização Estimulação do sistema hipotálamo hipofisário - tiroide hormonas tiroideias Ativação de processos de turnover iónico (Na +, K +, Ca 2+ ) na membrana citoplasmática e RE dos músculos, e de turnover proteico aumento da velocidade de hidrólise do ATP. do consumo de O 2 e de nutrientes e da produção de calor.

O bebé humano e a maioria dos adultos têm tecido adiposo castanho, onde existe termogenina (UCP1; uncoupling protein 1) cuja atividade 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 se sente frio, as hormonas tiroideias estimulam o SNSimpático que estimula a UCP1 aumenta a velocidade de oxidação do NADH e dos nutrientes aumenta o consumo de oxigénio e produção de calor (no caso do bebé 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 eletroquímico facilitando a tarefa (estimulando) 31 dos complexos I, III e IV e em última análise a oxidação dos nutrientes.

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 ação dinâmica específica = denominação que já entrou em desuso). Causas mal conhecidas mas possivelmente associadas a... Aumento do gasto de ATP nos processos de armazenamento de glicose (síntese de glicogénio) e gorduras (síntese de triacilgliceróis) e da síntese proteica. Aumento da atividade 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) ação de oxídases e oxigénases e desacoplagem basal na fosforilação oxidativa (2) despesa energética associada a atividade 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 ativos 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) é a 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 dos alimentos não é metabolizada A energia não metabolizável dos alimentos é variável e, num indivíduo sem problemas gastrointestinais, 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 álcool ingerido e dos corpos cetónicos formados perdem-se na urina e no ar expirado 35

Valores médios... em kcal/g Oxidação completa num calorímetro. Oxidação humana. Energia metabolizável dos alimentos absorvidos e das reservas energéticas. Energia metabolizável dos alimentos que irão ser ingeridos 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 neuroendócrinos que 38 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 recetores 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 neuroendócrinos tendem a manter a energia metabolizável dos alimentos igual à despesa energética mas... os hábitos dietéticos e a baixa atividade 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 Défice 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 (146436 kcal/95 dias) = 1 541 kcal/dia A despesa energética diária foi estimada pela técnica da DLW = 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 indireto 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. Ácidos Gordos + O 2 QR = 1 (3) da intensidade do exercício físico. QR = 0,7

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 emagrecer (balanço energético negativo) oxidamos toda a dieta + triacilgliceróis endógenos QR < QR da dieta 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 44

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 No período pós-prandial (de uma refeição que contenha glicídeos), a insulina está alta (1) estimulação das enzimas (glicocínase, cínase da frutose-6-p hepáticas e desidrogénase do piruvato) e dos transportadores (GLUT 4 no músculo) que promovem a oxidação da glicose, (2) inibição a lipólise ( hidrólise de triacilgliceróis nos adipócitos) e (3) inibição da carnitina-palmitiltransférase 1 (o que implica inibição da oxidação dos ácidos gordos). No período pós-absortivo (jejum antes do pequeno almoço) a insulina está baixa (1) inibição das enzimas e transportadores que promovem a oxidação da glicose (2) estimulação a lipólise e (3) estimulação da carnitinapalmitil-transférase 1 (que promove a oxidação dos ácidos gordos). 45

glicogénio das fibras glicose Triacilgliceróis intramiocelulares Relativamente a um exercício de baixa intensidade, quando a intensidade do exercício é elevada, o contributo dos carbohidratos (glicogénio muscular e glicose sanguínea), o contributo dos ácidos gordos livres (FFA) e dos TAG intramiocelulares QR 46

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 coldacclimated hypothyroid rats, J Appl Physiol. 95, 1584-90. 10. Frayn, K. N. (2010) Metabolic regulation. A human perspective., 3nd edn, Wiley-Blackwell, 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. 15. Lopez, M., Varela, L., Vazquez, M. J., Rodriguez-Cuenca, S., Gonzalez, C. R., Velagapudi, V. R., Morgan, D. A., Schoenmakers, E., Agassandian, K., Lage, R., de Morentin, P. B., Tovar, S., Nogueiras, R., Carling, D., Lelliott, C., Gallego, R., Oresic, M., Chatterjee, K., Saha, A. K., Rahmouni, K., Dieguez, C. & Vidal-Puig, A. (2010) Hypothalamic AMPK and fatty acid metabolism mediate thyroid regulation of energy balance, Nat Med. 16, 1001-8. 16. Cannon, B. & Nedergaard, J. (2010) Thyroid hormones: igniting brown fat via the brain, Nat Med. 16, 965-7. 17. Nedergaard, J., Bengtsson, T. & Cannon, B. (2010) Three years with adult human brown adipose tissue, Ann N Y Acad Sci. 1212, E20-36. 18. Livesey, G. & Elia, M. (1988) Estimation of energy expenditure, net carbohydrate utilization, and net fat oxidation and synthesis by indirect calorimetry: evaluation of errors with special reference to the detailed composition of fuels, Am J Clin Nutr. 47, 608-28. 19. 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. 47