12
1 Regulação do metabolismo oxidativo e equilíbrio energético Laboratório de Bioquímica da Faculdade de Medicina do Porto 2 Semelhanças Usam a oxidação de compostos orgânicos como fonte de energia. A velocidade de oxidação dos compostos orgânicos aumenta com o exercício. Diferenças óbvias Os seres vivos não têm chave de ignição: continuam “a gastar gasolina” (a oxidar nutrientes) mesmo quando estão parados. Os automóveis não procuram activamente os postos de combustível nem engordam quando se põe gasolina a mais no depósito. Os mamíferos tem pelo menos 2 (ou 3) depósitos de combustível: glicídeos e triacilgliceróis (e proteínas). 1 2 3 4 3 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? 70 kg O 2 consumido 15 moles / dia (330 L) Calor libertado 1600 kcal/dia O calor que aumenta de 1ºC, 1600 kg de água; 6,69 MJoules/dia 1,86 kWh/dia Porque é que, ao contrário do automóvel, o ser vivo continua a libertar calor e a consumir O 2 quando está parado? 4 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

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1

Regulação do metabolismo oxidativo e

equilíbrio energético

Laboratório de Bioquímica da Faculdade de Medicina do Porto 2

SemelhançasUsam a oxidação de compostos orgânicos como fonte de energia. A velocidade de oxidação dos compostos orgânicos aumenta com o

exercício. Diferenças óbviasOs seres vivos não têm chave de ignição: continuam “a gastar

gasolina” (a oxidar nutrientes) mesmo quando estão parados.Os automóveis não procuram activamente os postos de combustível

nem engordam quando se põe gasolina a mais no depósito.Os mamíferos tem pelo menos 2 (ou 3) depósitos de combustível:

glicídeos e triacilgliceróis (e proteínas).

1

2

3

4

3

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?

70 kg

O2consumido 15 moles / dia(330 L)

Calor libertado 1600 kcal/diaO calor que aumenta de 1ºC,1600 kg de água; 6,69 MJoules/dia 1,86 kWh/dia

Porque é que, ao contrário do automóvel, o ser vivo continua a libertar calor e a consumir O2 quando está parado?

4

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

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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 e re-esterificação

5) Ciclos de Cori e da alanina

6

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 actina-miosina.

ADP+Pi

transporteactivo

síntese proteica

trabalhomecânico

Na+

Ca2+

outrosEstima-se que nas condições BMR um indivíduo adulto de 70 kg hidrólise cerca de 40 mmoles/min (60 moles/dia). 40 mmol

ATP / min

Na ausência de mecanismos que fosforilem o ADP formado, todo o ATP do indivíduo ( 120 mmoles) se esgotaria em 3 min.

30% 30%5%

7

Cada ATP hidrolisado é imediatamente reposto: a concentração de ATP é “estacionária” porque vel. de síntese = vel. de hidrólise.

nutrientesO2ADP

+Pi

CO2 + H2O

40 mmol ATP / min

8 mmol O2consumido na cadeia respiratória /min (180 mL/min).

Na+

Ca2+

A “reposição” do ATP (fosforilação do ADP) depende, em última análise, da oxidação dos nutrientes pelo O2.Admitindo que se formam cerca de 2,5 ATPs / átomo de oxigénio consumido

(razão P:O = 2,5 razão P:O2 = 5) a velocidade de 40 mmol de ATP / min 8 mmol de O2 consumido / min

8

nutrientesO2ADP

+Pi

CO2 + H2O

Na+

Ca2+

40 mmolATP / min

8 mmol O2consumido na cadeia respiratória / min

A oxidação dos nutrientes é um processo exotérmico; para além de CO2 e H2O gera um “terceiro produto”: calor.

A BMR pode ser estimada medindo o O2 consumido ou o calor libertado porque existe proporcionalidade (quase perfeita) entre o O2 consumido e o calor libertado.

0,85 kcal/min

Nas reacções de oxidação dos nutrientes libertam-se cerca de 106 kcal / mole de O2 consumido.

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9

O calor libertado num sistema onde ocorrem reacções =diferença entre as entalpias dos produtos e reagentes.

Entalpia de A

A + B C + D

Entalpia de B

Entalpia de C

Entalpia de D

H = calor libertado

Nos casos dos glicídeos e lipídeos,o calor libertado na sua oxidação é igual nos seres vivos e no calorímetro…

…mas no caso das proteínas (e aminoácidos) os produtos da oxidação nos seres vivos não coincidem com os produtos formados num calorímetro…

6 O223 O2

glicose palmitato

6 CO2 + 6 H2O+ 669 kcal

16 CO2 + 16 H2O+ 2413 kcal

+ 793 kcal

+ 76 kcal

+ 869 kcal

10

nutrientesO2

CO2 + H2O

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...

... 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 consumo efectivo de reagentes e formação efectiva de produtos.

11

Exemplificando para o caso da oxidação do palmitato.

palmitato + 23O2 + 106ADP + 106Pi 16CO2+ 16H2O +106ATP +106H2O + 1883 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:

Mas só sintetizamos uma molécula de ATP quando uma se hidrolisa...

106 ATP + 106 H2O 106 ADP + 106 Pi + 530 kcal

palmitato + 23 O2 16 CO2 + 16 H2O + 2413 kcal

... e o somatório das duas últimas equações é:

palmitato + 23 O2 16 CO2 + 16 H2O + 2413 kcal12

O2 e calor estritamente acoplados com síntese/hidrólise de ATP:8 mmol / min x 1440 min = 11,5 moles / dia0,85 kcal / min x 1440 min = 1224 kcal / dia

O2 e calor (1) desacoplagem fisiológica entre oxidação e fosforilação + (2) oxigénases e oxídases

BMR

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1

kcal/dia

15 mol de O2 / dia

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:O2 < 5, sempre).(2) Existem enzimas em cuja acção se consome O2 e se liberta calor (várias oxigénases e oxídases) e que não são a oxídase do citocromo c (complexo IV).

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Pensa-se que 20% a 25% da BMR se deve a desacoplagem fisiológica entre fosforilação e oxidação nas mitocôndrias=uma parte do O2 reduzido a H2O pelo complexo IV na mitocôndria não estádirectamente relacionado com síntese de ATP.

nutrientesO2ADP

+Pi

CO2 + H2O

Na+

Ca2+

40 mmol ATP / min

> 8 mmol O2consumido na cadeia respiratória / min

> 0,85 kcal/min

mas se 1 mol O2 consumido 5 mol de ATP formado...como é possível aumentar a vel. de consumo de O2sem aumentar a vel. de formação de ATP?

14

I III IVQ cyt c

1 NADH NAD+

4 H+

O H2O

V Simp. Pi

10 H+

2,5 ADP + 2,5 Pi

2,5 ATP

Proteína desacopladora (?)

n H+

Leak (pingar)+ n/10 NADH

+ n/10 NAD+ n/10 O

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 O2); por cada n protões bombeados n/10 NADH são oxidados.

Actualmente 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 actividades basais de várias UCPs (“uncoupling proteins”).

(2 H+ + 4 H+)

H2O

CO2

H2O

O2

FenilalaninaTetra-hidro-biopterina

Di-hidro-biopterina

Tirosina-cetoglutarato

glutamato

p-hidroxifenil-piruvato

Homogentisato

maleilacetoacetato

fumarilacetoacetato

fumarato acetoacetato

H2O

O2

O2Etanol

H2O

O2NADPH

NADP+

acetaldeído

Acetil-CoA

NADPH

NADP+

Glicose-6-P

6-fosfo-gliconolactona

Ribulose-5-P

NADPH

NADP+

NADPH + CO2

NADP+

Uma parte (embora menor) do O2 gasto em condições de BMR não ésequer consumido na acção catalítica do complexo IV.As oxigénases (envolvidas, por exemplo, na oxidação de aminoácidos) e as oxídases de função mista (como a hidroxílase da fenilalanina e as enzimas da família dos citocromos P450) também consomem O2 e, indirectamente (via consumo de NADPH), estimulam a via das pentoses-fosfato e a produção de CO2. Todos estes processos

embora não directamente relacionados com a síntese de ATP são exotérmicos.

16

…mas a relação émais linear quando se relaciona a BMR com a massa magra.

* CGL1= lipodistrofia congénita generalizada (deficit marcado de tecido adiposo por alteração na esterificação)

A taxa de metabolismo basal (BMR) é, em geral, tanto maior quanto mais pesado é o indivíduo

Toleban e col. Metab. (2008) 57:1155

*

Massa magra = massa corporal -tecido adiposo

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Quando um indivíduo engorda aumenta a sua massa de triacilgliceróismas 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.

A secreção normal de hormonas tiroideias e o tono simpático basal contribuem para a BMR porque:

Contudo, quando se emagrece, a diminuição na BMR é maior que a que seria de esperar tendo em conta a diminuição de massa magra.

SNSimpático o leak de H+

uncoupling nas mitocôndrias do tecido adiposo castanho (via estimulação de UCP1) e músculo (talvez via UCP3)

vel. dos ciclos de substrato gasto de ATP

Exemplo: turnover proteico

a secreção de hormonas tiroideias o tono simpático no tecido adiposo castanho (e músculo)

turnover proteico leak de H+ despesa energética

Quando se emagrece:

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 O2 e produção de CO2 trabalho do diafragma e coração

gasto de ATP

20

Que acontece à despesa energética quando um indivíduo aumenta a sua actividade física?

O2 consumido

>> 15 moles / dia(>> 330 L)

Calor libertado

>> 1600 kcal/dia

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

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nutrientesO2ADP

+Pi

CO2 + H2O

40 mmol ATP / min

8 mmol O2consumido na cadeia respiratória / min

Na+

Ca2+

O esforço físico provoca aumento das actividades da ATPase da actina-miosina e das ATPases do Na+/K+ e do Ca2+.

400 mmol ATP / min

ATP

A concentração de ATP desceria, a de ADP e Pi aumentaria e os processos dependentes de ATP deixariam de ocorrer.

Que aconteceria se a despesa energética não aumentasse quando um indivíduo aumenta a sua actividade física?

22

Chance e Williams (1955) JBC 217:383

Um automóvel aumenta de velocidade quando aumentamos a velocidade com que a gasolina é injectada no motor. E nos seres vivos como é que éregulada a velocidade de oxidação dos nutrientes?

A 1ª resposta veio de estudos com mitocôndrias isoladas ainda antes de o modelo de Mitchell ter sido proposto (ADP = acelerador da oxidação).

Adaptando a proposta do ADP como acelerador (Chance e Williams, 1955) à teoria de Mitchell…

III-FAD

III IVdG3P-FAD

Q cyt c

NADH NAD+

H+ H+ H+

O H2O

V Simp. Pi

H+

ADP ATP desidrogénases

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

24

Outras observações feitasin vitro também apontam para a importância das variações de concentração de ADP, AMP, ATP, NAD+ e NADH.

Glicose

acetil-CoA

Piruvato

NAD+

NADH

NAD+

NADH

NAD+

NADH

Frutose-6-P

Frutose-1,6-BisP

Desidrogénase do isocitrato

Desidrogénase do piruvato

Desidrogénase do -cetoglutarato

Cínase da frutose-6-P

ADP e AMP

ATP

ADP e NAD+

ATP e NADH

ADP e NAD+

ATP e NADH

ADP e NAD+

ATP e NADH

Fosforílase do glicogénio

AMPGlicogénio

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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 carnitina-palmitoil transférase I

Oxidação em β26

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…

NAD+

NADH

nutrientes

CO2 O2

H2O

H+ (dentro)

H+ (fora) ADP+Pi

ATP

ATPasessíntase do ATP

cadeia respiratóriadesidrogénases

vel.1 = vel.2 = vel.3 = vel.4

XAinda não se sabe o que é o X; poderá haver vários X e um deles pode ser o ião Ca2+.

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 sarcoplasmáticoo Ca2+ move-se para o citoplasma.

[Ca2+] citoplasmático 100 vezes (0,1 M 10 M)

[Ca2+] na matriz da mitocôndria

28

Que efeitos provoca o Ca2+ nas enzimas relacionadas com a oxidação dos nutrientes e a hidrólise do ATP?

NAD+

NADH

nutrientes

CO2 O2

H2O

H+ (dentro)

H+ (fora) ADP+Pi

ATP

Síntase do ATP

Cadeia respiratória

Fosforólise e desidrogénase

Ca2+ citoplasmático

ATPases

ATPase da actina-miosina

ATPase do Ca2+

Síntase do ATP

Complexos I e IV

desidrogénase do glicerol-3-P

desidrogénases do piruvato do isocitratodo -cetoglutarato

Ca2+ mitocôndrial

cínase da fosforílase do glicogénio

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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 = [Ca2+]citoplasmaque 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 O2 e de nutrientes e da produção de calor.

30

I III IVQ cyt c

1 NADH NAD+

4 H+

O H2O

V Simp. Pi

10 H+

2,5 ADP + 2,5 Pi

2,5 ATP

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).

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.

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) dos complexos I, III e IV… e em última análise a oxidação dos nutrientes.

UCP1

n H+

Leak+ n/10 NADH

+ n/10 NAD+

SNSimp.

n/10 O

(2 H+ + 4 H+)

31

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].

I III IVQ cyt c

1 NADH NAD+

4 H+ (2 H+ + 4 H+)

O H2O

V Simp. Pi

10 H+

2,5 ADP + 2,5 Pi

2,5 ATPLeak

n H+

+ n/10 O+ n/10 NADH

+ n/10 NAD+

SNS

UCP1 e ?

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 O2(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).

Aumento do consumo de ATP nos processos de armazenamento de glicose (síntese de glicogénio) e gorduras (síntese de triacilgliceróis).

Estimulação do SNSimpático com aumento do leak de H+

Causas mal conhecidas mas possivelmente associadas a...

Aumento da actividade de oxigénases e oxídases envolvidas na oxidação de AAs...

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33

Quando se estuda o equilíbrio energético, uma boa analogia para o ser vivo é uma lareira em que o calor produzido e o O2 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 (CO2 + H2O + compostos orgânicos incompletamente oxidados).

A despesa energética total = somatório de (1) BMR (taxa metabólica basal)

a) associado estritamente a hidrólise/síntese de ATPb) 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

34

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 O2 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 énecessário 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.

35

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 N2…

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 36Nota: é frequente na literatura médica usar-se a expressão Cal

como sinónimo de kcal.

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 N2) 4 (absorção incompleta)

Lipídeos (triacilgliceróis)

9,5 9,5 9 (absorção incompleta)

Etanol 7,1 7,1 7 (perdas na respiração e urina)

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37

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 éreposta...

38

pequeno almoçoalmoço

lanche

jantar

a dormir

Períodos de “ginástica”

Taxa da despesa energética total e ingestão calórica ao longo de um dia num indivíduo adulto sedentário

Quando falamos de balanço energético não é adequado pensar em períodos curtos de tempo.

Ao longo das horas de um dia (quase; termogénese associada à ingestão de alimentos) não hárelação 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 que tendem a ajustar o valor calórico da dieta (apetite) ao da despesa energética.

Energia metabolizável dos alimentos ingeridos

Despesa energética total

39

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 àsua massa.

A leptina tem receptores em núcleos hipotalâmicos que quando estimulados pela leptina inibem o apetite.

2) A colescistocinina élibertada no intestino quando uma refeição contém lipídeos; estimula o nervo vago induzindo saciação.

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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 kcal77 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) em dois momentos temporais (intervalo > 1 mês, por exemplo).

“Antes que apodreçam, o sítio mais seguro para guardar os alimentos em excesso é no próprio tecido adiposo.”

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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.

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/diaValor calórico da dieta diária foi estimada = 5 070 kcal/dia

A despesa energética diária foi estimada pela técnica da “água duplamente marcada”em dois períodos de 15 dias cada = 6 524 kcal/diabalanço negativo = (6 524 – 5 070) = 1 454 kcal/diaAceitando os pressupostos, os dois valores (1541 e 1454 kcal/dia) deveriam ser iguais;a pequena diferença resulta do erro experimental.

Exemplo de um estudo que incluiu uma viagem à Antártida durante 95 dias [Straud et al. (1994) Clin Sci 87 supp: 54]

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O Quociente Respiratório (Respiratory Exchange Ratio) varia com o tipo de nutriente que está a ser oxidado.

QR = CO2 / O2O QR é 1 quando se oxidam glicídeos e 0,7 quando se oxidam lipídeos.

O QR das proteínas tem, em média, um valor intermédio 0,84.

O calorímetro indirecto mede as velocidades de consumo de O2 e a produção de CO2 permitindo calcular a despesa energética e o Quociente Respiratório (QR)QR = moles ou volume CO2 excretado / moles ou volume de O2 consumido.

glicose (C6H12O6) + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O

6/6 = 1

palmitato (C16H32O2) + 23 O2 16 CO2 + 16 H2O

16/23 = 0,7

glutamina (C5H10O3N2) + 4,5 O2 4 CO2 + 3 H2O + 1 ureia

4/4,5 = 0,9

leucina (C6H13O2N) + 7,5 O2 5,5 CO2 + 5,5 H2O + 0,5 ureia

5,5/7,5 = 0,73

O QR seria 0,7 se, num dado momento, os únicos nutrientes a serem oxidados fossem lipídeos.

O QR é 1se, num dado momento, o único nutriente a ser oxidado éa glicose (ou e glicogénio).

Glicose + O2

Triacilgliceróis + O2

Na prática em todos os momentos oxidamos misturasde glicídeos, lipídeos e proteínas

… com diferentes proporções que dependem da:

(1) dieta (mais ou menos rica em lipídeos versusglicídeos),

(2) do estado nutricional e

(3) da intensidade do exercício físico.QR = 1 QR = 0,7 44

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 cartinina-palmitil-transférase 1 (que promove a oxidação dos ácidos gordos).

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-palmitil-transférase 1 (o que implica inibição da oxidação dos ácidos gordos).

QR entre 1 e 0,95

QR 0,85

O QR aumenta, aproximando-se de 1, quando oxidamos glicídeos e baixa, aproximando-se de 0,7, quando oxidamos lipídeos.

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45Loon et al. (2001) J Physiol 536: 295-304.

Em jejum(e em repouso ou com exercícios de baixa intensidade)o consumo de glicose émais 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 Ca2+ 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.

glicogénio muscular

glicose plasmática

triacilgliceróis do musculo

ácidos gordos livres plasmáticos

QR=0,83QR=0,93

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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 2400 kcal/dia = 72000 kcale igual valor de energia metabolizável na dieta

Dieta:X g de glicídeos +Y g de lipídeos +Z g de proteínas

O2

X g de glicídeos oxidados +Y g de lipídeos oxidados +Z g de proteínas oxidadas

70 kg de peso

70 kg de peso

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

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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. Ao longo do jejum prolongado a

BMR vai baixando (porque as hormonas tiroideias baixam), a actividade física reduz-se a quase zero…

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

Qual o QR?L de CO2 = 100 g/dia x 1,39 L/g +

50 g/dia x 0,75 L/g =176,5 L / dia

L de O2 = 100 g/dia x 1,96 L/g +50 g/dia x 0,94 L/g =

243 L / dia

QR= 176,5 L CO2 / 243 L O2 = 0,73No 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 se, no jejum total, não estivesse activada a cetogénese…

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