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BIOQUÍMICA DO METABOLISMO DOS LIPÍDEOS (VIAS ANABÓLICAS DOS LIPÍDEOS - ÁCIDOS GRAXOS, TRIGLICERÍDEOS E COLESTEROL) ÁCIDOS GRAXOS Os ácidos graxos são sintetizados por um sistema extramitocondrial, que é responsável pela síntese completa do palmitato a partir de acetil-CoA no citosol. Na maioria dos mamíferos, a glicose é o principal substrato para a lipogênese, ao passo que, em ruminantes, é o acetato a principal molécula combustível que eles obtêm da dieta. Os ácidos graxos insaturados nos fosfolipídeos das membranas celulares são importantes na manutenção da fluidez. Uma dieta com elevada proporção entre ácidos graxos poli-insaturados e ácidos graxos saturados (razão de P:S) é considerada benéfica na prevenção de doença coronariana. Os tecidos animais têm capacidade limitada para dessaturar os ácidos graxos e necessitam de certos ácidos graxos poli- insaturados de origem vegetal na dieta. Esses ácidos graxos essenciais são usados para formar os ácidos graxos eicosanoicos (C20), que dão origem aos seguintes eicosanoides: prostaglandinas, tromboxanos, leucotrienos e lipoxinas. As prostaglandinas medeiam a inflamação e a dor, induzem o sono e também regulam a coagulação sanguínea e a reprodução. Os anti- inflamatórios não esteroides (AINEs), como o ácido acetilsalicílico e o ibuprofeno, atuam ao inibir a síntese de prostaglandinas. Os leucotrienos apresentam propriedades quimiotáticas e relacionadas à contração muscular e são importantes nas reações alérgicas e na inflamação. A síntese de ácidos graxos ocorre no citosol e o substrato inicial da via, a acetil-CoA, é formada na mitocôndria, fundamentalmente a partir de piruvato. Como a membrana interna da mitocôndria é impermeável a acetil-CoA, os carbonos do grupo acetila são transportados sob a forma de citrato. O citrato é transportado para o citosol pela tri carboxilato translocase (Figura 16.10), onde é cindido em oxaloacetato e acetil- CoA, à custa de ATP, em uma reação catalis ada pela citrato liase: O oxaloacetato é reduzido a malato pela malato desidrogenase citosólica uma isoenzima da malato desidrogenase mitocondrial. O malato é substrato da enzima málica em uma reação que prodez piruvato e NADPH O piruvato, através da piruvato translocase, retorna à mitocôndria, onde é convertido a oxaloacetato, por ação da piruvato carboxilase. O resultado final desta sequência de reações é o transporte dos carbonos da acetil-CoA (sob a forma de citrato) da mitocôndria para o citosol com gasto de ATP, e produção de NADPH. Acetil-CoA e NADPH, ambos no citosol, podem ser utilizados para formar ácidos graxos. O NADPH constitui o agente redutor dessa síntese. A PRINCIPAL VIA PARA A SÍNTESE DE NOVO DE ÁCIDOS GRAXOS (LIPOGÊNESE) OCORRE NO CITOSOL Esse sistema é encontrado em muitos tecidos, incluindo fígado, rins, encéfalo, pulmões, glândulas mamárias e tecido adiposo. Os cofatores necessários incluem NADPH, ATP, manganês (Mn2+), biotina e bicarbonato (HCO3) – (como fonte de CO2). A acetil-CoA é o substrato imediato, e o palmitato livre é o produto final. A PRODUÇÃO DE MALONIL-COA CONSTITUI A ETAPA INICIAL E DE CONTROLE NA SÍNTESE DE ÁCIDOS GRAXOS O bicarbonato, como fonte de CO2, é necessário na reação inicial de carboxilação de acetil-CoA em malonil-CoA, na presença de ATP e acetil-CoA-carboxilase. Essa enzima possui um papel fundamental na regulação da síntese de ácidos graxos (ver a seguir). A acetil-CoA-carboxilase necessita da vitamina B biotina e é uma proteína multienzimática contendo a biotina, a enzima biotina-carboxilase, a proteína carreadora de carboxil-biotina e uma carboxil- transferase, assim como um sítio regulador alostérico. A reação ocorre em duas etapas: (1) carboxilação da biotina envolvendo ATP e (2) transferência de grupo carboxila para acetil- CoA para formar malonil-CoA. O COMPLEXO DE ÁCIDO GRAXO- SINTASE É UM HOMODÍMERO DE DUAS CADEIAS POLIPEPTÍDICAS CONTENDO SEIS ATIVIDADES ENZIMÁTICAS Após a formação de malonil-CoA, os ácidos graxos são formados pelo complexo enzimático de ácido graxo-sintase. As enzimas individuais necessárias para a síntese de ácidos graxos estão ligadas a esse complexo polipeptídico multienzimático que incorpora a proteína carreadora de grupos acil (ACP) (possui função similar à da CoA na via de β-oxidação). Esse complexo contém o ácido pantotênico na forma de 4´-fosfopanteteína. A cristalografia a de raios X da estrutura tridimensional demonstrou que o complexo é um homodímero com duas subunidades idênticas, contendo, cada uma delas, seis enzimas e uma ACP, dispostas em formato de X. A posição da ACP e dos domínios tioesterase ainda não pôde ser resolvida pela cristalografia de raios X, possivelmente por serem muito flexíveis; mas, acredita-se que esses domínios estejam localizados próximos à enzima 3-cetoacil-redutase. O uso de uma unidade funcional multienzimática tem as vantagens de obter o efeito de compartilhar o processo dentro da célula, sem a criação de barreiras de permeabilidade, e a síntese de todas as enzimas do complexo é coordenada, visto que é codificada por um único gene. Inicialmente, uma molécula iniciadora de acetil- CoA combina-se com um grupo —SH de uma cisteína (Figura 23-3, reação 1a), ao passo que a malonil-CoA se combina com o grupo —SH adjacente presente na 4´-fosfopanteteína da ACP do outro monômero (reação 1b). Essas reações são catalisadas pela malonil-acetil- transacilase, para formar a enzima acetil- (acil)-malonil. O grupo acetil ataca o grupo metileno do resíduo de malonil, em uma reação catalisada pela 3-cetoacil-sintase, e libera CO2, formando a enzima 3-cetoacil (enzima acetoacetil) (reação 2), liberando o grupo —SH da cisteína. A descarboxilação permite que a reação prossiga até o seu término, levando toda a sequência das reações na direção direta. O grupo 3-cetoacetil é reduzido, desidratado e novamente reduzido (reações 3-5) para formar a acil-S-enzima saturada correspondente. Uma nova molécula de malonil-CoA combina- se com o —SH da 4´-fosfopanteteína, deslocando o resíduo acil saturado para o grupo —SH da cisteína livre. A sequência de reações é repetida por mais seis vezes até a montagem de um radical acil saturado de 16 carbonos (palmitoil). Ele é liberado do complexo enzimático pela atividade da sexta enzima do complexo, a tioesterase (desacilase). O palmitato livre deve ser ativado a acil-CoA antes de prosseguir por qualquer outra via metabólica. Os seus destinos possíveis são estericação em acilgliceróis, alongamento ou dessaturação da cadeia ou estericação em ésteres de colesteril. Na glândula mamária, existe uma tioesterase distinta especíca para os resíduos acil de C8, C10 ou C12, os quais são encontrados subsequentemente nos lipídeos do leite. A equação geral para a síntese do palmitato a partir de acetil-CoA e malonil-CoA é: A acetil-CoA usada como iniciador forma os átomos de carbono 15 e 16 do palmitato. A adição de todas as unidades subsequentes de C2 ocorre por meio da malonil-CoA. A propionil-CoA atua como iniciador para a síntese de ácidos graxos de cadeia longa que apresentam número ímpar de átomos de carbono (encontrados particularmente na gordura e no leite dos ruminantes) A PRINCIPAL FONTE DE NADPH PARA A LIPOGÊNESE É A VIA DAS PENTOSES-FOSFATO O NADPH está envolvido como doador de equivalentes redutores na redução dos derivados, tanto do 3-cetoacil quanto do acil 2,3-insaturado (Figura 23-3, reações 3 e 5). As reações oxidativas da via das pentoses fosfato constituem a principal fonte de hidrogênio necessáriopara a síntese redutora dos ácidos graxos. De modo significativo, os tecidos especializados na lipogênese ativa – isto é, o fígado, o tecido adiposo e a glândula mamária em lactação – possuem uma via ativa das pentoses-fosfato. Além disso, ambas as vias metabólicas são encontradas no citosol da célula; dessa maneira, não existem membranas nem barreiras de permeabilidade contra a transferência do NADPH. Outras fontes de NADPH incluem a reação que converte o malato em piruvato, catalisada pela “enzima málica” (NADP malato-desidrogenase) (Figura 23-4) e pela reação extramitocondrial da isocitrato- desidrogenase (que provavelmente não se qualica como uma fonte substancial, exceto nos ruminantes). A ACETIL-COA É O PRINCIPAL BLOCO DE CONSTRUÇÃO DOS ÁCIDOS GRAXOS A acetil-CoA é formada a partir da glicose por meio da oxidação de piruvato na matriz mitocondrial. Só que, como ela não se difunde prontamente através das membranas mitocondriais, o seu transporte para o citosol – o principal local de síntese dos ácidos graxos – requer um mecanismo especial envolvendo citrato. Após a condensação de acetil-CoA com oxalacetato no ciclo do ácido cítrico dentro da mitocôndria, o citrato produzido pode ser translocado para o compartimento extramitocondrial pelo transportador de tricarboxilatos, onde, na presença de CoA e ATP, ele sofre clivagem a acetil-CoA e oxalacetato catalisada pela ATP-citrato-liase, que aumenta sua atividade no estado bem- alimentado. A acetil-CoA está então disponível para a formação de malonil-CoA e síntese de ácidos graxos (Figura 23-4). O oxalacetato resultante pode formar malato por meio da malato-desidrogenase ligada ao NADH, seguido de geração de NADPH pela enzima málica. O NADPH torna-se disponível para lipogênese, e o piruvato pode ser utilizado para regenerar a acetil-CoA depois de transportada para a mitocôndria. Essa via representa um meio de transferir equivalentes redutores do NADH extramitocondrial para o NADP. De um modo alternativo, o próprio malato pode ser transportado para a mitocôndria, onde tem a capacidade de formar oxalacetato novamente. O transportador de citrato (tricarboxilato) na membrana mitocondrial requer a presença de malato para troca com o citrato. Há pouca ATP-citrato-liase, ou enzima málica, nos ruminantes, provavelmente pelo fato de, nessas espécies, o acetato (derivado da digestão dos carboidratos no rúmen e ativado em acetil-CoA no meio extramitocondrial) constituir a principal fonte de acetil-CoA. O ALONGAMENTO DAS CADEIAS DE ÁCIDOS GRAXOS OCORRE NO RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO Essa via (o “sistema microssomal”) alonga as acil-CoA de ácidos graxos saturados e insaturados (a partir de C10) em dois carbonos, utilizando a malonil-CoA, como doadora de acetil, e o NADPH, como agente redutor, em uma reação catalisada pelo sistema enzimático microssomal ácido graxo alongase. O alongamento da estearil-CoA no encéfalo aumenta rapidamente durante a mielinização, a fim de fornecer ácidos graxos C22 e C24 para os esngolipídeos. O ESTADO NUTRICIONAL REGULA A LIPOGÊNESE O excesso de carboidratos é armazenado na forma de gordura em muitos animais para prevenção em períodos de deficiência calórica, como jejum prolongado, hibernação, etc., e também para fornecer a energia necessária entre as refeições, incluindo os seres humanos, que se alimentam em intervalos espaçados. A lipogênese converte a glicose e os intermediários excedentes, como piruvato, lactato e acetil-CoA, em gordura, auxiliando na fase anabólica desse ciclo alimentar. O estado nutricional do organismo constitui o principal fator que regula a taxa de lipogênese. Por isso, a taxa apresenta-se elevada no animal bem--alimentado cuja dieta contém alta proporção de carboidratos. A taxa é reduzida nos estados de restrição de aporte calórico, em dietas ricas em gordura, ou em caso de deficiência de insulina, como ocorre no diabetes melito. As últimas condições estão associadas a concentrações elevadas de ácidos graxos livres no plasma, e foi demonstrada uma relação inversa entre a lipogênese hepática e a concentração sérica de ácidos graxos livres. Ocorre aumento da lipogênese quando há ingestão de sacarose, em vez de glicose, pois a frutose escapa do ponto de controle da fosfofrutocinase na glicólise e segue para a via lipogênica A LIPOGÊNESE É REGULADA POR MECANISMOS DE CURTO E DE LONGO PRAZO A síntese de ácidos graxos de cadeia longa é controlada, em curto prazo, pela modificação alostérica e covalente de enzimas e, em longo prazo, por alterações na expressão dos genes que controlam a taxa de síntese das enzimas. A ACETIL-COA-CARBOXILASE É A ENZIMA MAIS IMPORTANTE NA REGULAÇÃO DA LIPOGÊNESE A acetil-CoA-carboxilase é uma enzima alostérica ativada pelo citrato, em que sua concentração aumenta no estado bem- alimentado e constitui um indicador de suprimento abundante de acetil-CoA. O citrato promove a conversão da enzima de um dímero inativo (duas subunidades do complexo enzimático) para uma forma polimérica ativa. A inativação é promovida pela fosforilação da enzima e por moléculas de acil-CoA de cadeia longa, fornecendo um exemplo de inibição por retroalimentação negativa por um produto da reação. Então, se houver acúmulo de acil-CoA, por não ser esterificada rápido o suficiente, em consequência de um aumento da lipólise, ou ainda devido a um influxo de ácidos graxos livres no tecido, ela automaticamente reduzirá a síntese de novos ácidos graxos. A acil-CoA também inibe o transportador de tricarboxilatos mitocondrial, impedindo, assim, a ativação da enzima pelo efluxo de citrato das mitocôndrias para o citosol A acetil-CoA-carboxilase também é regulada por hormônios, como o glucacon, a epinefrina e a insulina, por meio de alterações em seu estado de fosforilação A PIRUVATO-DESIDROGENASE TAMBÉM É REGULADA PELA ACIL- COA A acil-CoA provoca inibição da piruvato- desidrogenase ao inibir o transportador de troca de ATP-ADP da membrana mitocondrial interna, levando ao aumento da razão (ATP)/(ADP) mitocondrial e, em consequência, à conversão da piruvato- - desidrogenase ativa em sua forma inativa, regulando, dessa maneira, a disponibilidade de acetil-CoA para a lipogênese. Além disso, a oxidação da acil-CoA, devido a níveis aumentados de ácidos graxos livres, pode aumentar as razões de (acetil-CoA)/(CoA) e (NADH)/(NAD+) na mitocôndria, inibindo a piruvato-desidrogenase. A INSULINA TAMBÉM REGULA A LIPOGÊNESE POR OUTROS MECANISMOS A insulina estimula a lipogênese por vários outros mecanismos, como pelo aumento da atividade da acetil-CoA-carboxilase. Ela aumenta o transporte de glicose para dentro da célula (p. ex., no tecido adiposo), aumentando a disponibilidade tanto de piruvato, para a síntese de ácidos graxos, como de glicerol-3-fosfato, para a síntese de triacilglicerol por meio da estericação do ácido graxo recém-formado. Ela também converte a forma inativa da piruvato- desidrogenase para a forma ativa no tecido adiposo, mas não no fígado. A insulina – em virtude de sua capacidade de reduzir os níveis intracelulares de cAMP – também inibe a lipólise no tecido adiposo, reduzindo, assim, a concentração plasmática de ácidos graxos livres e, portanto, de acil- CoA de cadeia longa, os quais são inibidores da lipogênese O COMPLEXO DE ÁCIDO GRAXO- SINTASE E A ACETIL-COA- CARBOXILASE SÃO ENZIMAS ADAPTATIVAS Essas enzimas se adaptam às necessidades fisiológicas do corpo, por meio da variação da expressão gênica, que leva ao aumento na quantidade total de moléculas de enzimas presente no estado alimentado e diminuidurante a ingestão de uma dieta rica em gordura e em condições de inanição e no diabetes melito. A insulina exerce uma função importante, causando a expressão gênica e a indução de enzimas da biossíntese, e o glucagon (via cAMP) antagoniza esse efeito. A ingestão de gorduras contendo ácidos graxos poli-insaturados regula, de modo coordenado, a inibição da expressão de enzimas essenciais da glicólise e da lipogênese. Esses mecanismos para regulação a longo prazo da lipogênese levam vários dias para se manifestar por completo e aumentam o efeito direto e imediato dos ácidos graxos livres e de hormônios, como a insulina e o glucagon ALGUNS ÁCIDOS GRAXOS POLI- INSATURADOS NÃO PODEM SER SINTETIZADOS POR MAMÍFEROS E SÃO NUTRICIONALMENTE ESSENCIAIS A Figura 23-8 mostra alguns ácidos graxos insaturados de cadeia longa de importância metabólica nos mamíferos. Outros ácidos graxos polienoicos, C20, C22 e C24, podem ser derivados dos ácidos oleico, linoleico e α- linolênico por alongamento da cadeia. Os ácidos palmitoleico e oleico não são essenciais na dieta, visto que os tecidos podem introduzir uma ligação dupla na posição Δ9 de um ácido graxo saturado. Os ácidos linoleico e α-linolênico são os únicos ácidos graxos conhecidos como essenciais para a nutrição completa de muitas espécies de animais, inclusive os seres humanos, e são denominados ácidos graxos nutricionalmente essenciais. Na maioria dos mamíferos, o ácido araquidônico pode ser formado a partir do ácido linoleico. Ligações duplas podem ser introduzidas nas posições Δ 4, Δ5, Δ6 e Δ9 (ver Capítulo 21) na maioria dos animais, porém nunca além da posição Δ9. Em contrapartida, as plantas são capazes de sintetizar os ácidos graxos nutricionalmente essenciais pela introdução de ligações duplas nas posições Δ12 e Δ15 OS ÁCIDOS GRAXOS MONOINSATURADOS SÃO SINTETIZADOS POR UM SISTEMA Δ9 - DESSATURASE Vários tecidos, incluindo o fígado, são considerados responsáveis pela formação de ácidos graxos monoinsaturados não essenciais a partir de ácidos graxos saturados. A primeira ligação dupla introduzida em um ácido graxo saturado está quase sempre na posição Δ9. Um sistema enzimático – a Δ9- dessaturase (Figura 23-9) – presente no retículo endoplasmático catalisa a conversão de palmitoil-CoA ou estearoil-CoA em palmitoleoil-CoA ou oleoil- CoA, respectivamente. É necessária a presença de oxigênio e de NADH ou NADPH para a reação. As enzimas parecem ser similares ao sistema da monoxigenase envolvendo citocromo b5 (ver Capítulo 12). A SÍNTESE DE ÁCIDOS GRAXOS POLIINSATURADOS ENVOLVE SISTEMAS ENZIMÁTICOS DE DESSATURASES E ALONGASES As ligações duplas adicionais introduzidas nos ácidos graxos monoinsaturados existentes estão sempre separadas umas das outras por um grupo metileno (metileno interrompido), exceto nas bactérias. Como os animais possuem uma Δ9-dessaturase, eles são capazes de sintetizar a família ω9 (ácido oleico) de ácidos graxos insaturados completamente por uma combinação de alongamento e dessaturação da cadeia (Figuras 23-9 e 23-10) após a formação de ácidos graxos saturados pelas vias descritas neste capítulo. No entanto, como indicado, os ácidos linoleico (ω6) ou α-linolênico (ω3) são necessários para a síntese de outros membros das famílias ω6 ou ω3 (vias mostradas na Figura 23-10) e devem ser fornecidos na dieta. O ácido linoleico é convertido em ácido araquidônico (20:4 ω6) via ácido γ-linolênico (18:3 ω6). A necessidade nutricional de araquidonato pode, portanto, ser dispensada se houver quantidade adequada de linoleato na dieta. Os gatos são incapazes de efetuar essa conversão, devido à ausência da Δ6- dessaturase, e devem obter o araquidonato na dieta. O sistema de dessaturação e de alongamento da cadeia diminui acentuadamente no estado de jejum, em resposta à administração de glucagon e epinefrina e na ausência de insulina, como ocorre no diabetes melito tipo 1. OS SINTOMAS DE DEFICIÊNCIA OCORREM QUANDO OS ÁCIDOS GRAXOS ESSENCIAIS (AGE) ESTÃO AUSENTES DA DIETA Ratos alimentados com uma dieta não lipídica puricada contendo vitaminas A e D exibem redução da velocidade de crescimento e deciência de reprodução, que podem ser curadas pela adição dos ácidos linoleico, α-linolênico e araquidônico à dieta. Esses ácidos graxos são encontrados em altas concentrações nos óleos vegetais (ver Tabela 21-2) e em pequenas quantidades em carcaças de animais. Os ácidos graxos essenciais (AGE) são necessários para a formação de prostaglandinas, tromboxanos, leucotrienos e lipoxinas (ver adiante), e também desempenham várias outras funções que não estão tão bem denidas. Eles são encontrados nos lipídeos estruturais das células, frequentemente na posição 2 dos fosfolipídeos, e participam da integridade estrutural da membrana mitocondrial. O ácido araquidônico está presente em membranas e representa 5 a 15% dos ácidos graxos em fosfolipídeos. O ácido docosa- hexaenoico (DHA; ω3, 22:6), sintetizado em grau limitado a partir do ácido α-linolênico e obtido diretamente dos óleos de peixe, é encontrado em altas concentrações na retina, no córtex cerebral, nos testículos e no esperma. O DHA é particularmente necessário para o desenvolvimento do cérebro e da retina e é fornecido pela placenta e pelo leite. Pacientes com retinite pigmentar apresentam baixos níveis sanguíneos de DHA. Na defciência de ácidos graxos essenciais, os ácidos polienoicos não essenciais da família ω9, particularmente o ácido Δ5,8,11-eicosatrienoico (ω9, 20:3) (Figura 23-10), substituem os ácidos graxos essenciais nos fosfolipídeos, em outros lipídeos complexos e nas membranas. A razão trieno:tetraeno nos lipídeos plasmáticos pode ser utilizada para diagnosticar o grau de deciência de ácidos graxos essenciais
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