Hipóxia e apnéia em animais

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Hipóxia e apnéia em animais
Hipóxia: baixa oxigenação dos tecidos, causada por baixa concetração de O2
Apneia: suspensão momentânea da respiração
Mamíferos mergulhadores
Mamíferos mergulhadores: estocam muito O2 no sangue (+ Hb, +volume sanguíneo), hipometabolismo
Carência de oxigênio durante apnéia em humanos: bradicardia, vasoconstrição periférica, hipertensão arterial, redistribuição do fluxo sanguíneo, contração do baço
Carência de oxigênio durante apneia em focas: (1) duração do mergulho maior que 1 hora, em terra durante o sono tem apneias naturais de 25 min, (2) estocam 52 ml de O2 por quilo de peso, enquanto os humanos só estocam 10 ml, (3) a pressão de O2 mínima registrada no sangue arterial é de 18 mmHg, enquanto os humanos desmaiam quando esta está menor que 23-30 mmHg, (4) isso sugere que elas conseguem espremer mais O2 no sangue do que nós, provavelmente devido a maior densidade capilar cerebral em focas e menores distâncias de difusão. (5) A alta concentração de neuroglobina no cérebro delas também é uma possível causa. (6) O metabolismo aeróbico é mantido ainda em pO2 muito baixa
Resposta a carência de O2 durante apneia em focas: (1) maior concentração de Hb comparado com animais terrestres, (2) maior concentração de mioglobina tecidual, (3) maior volume de sangue por kg de peso corporal, (4) maior densidade capilar
Metabolismo durante hipóxia
Hipometabolismo: regulação negativa do turn-over energético (mais eficiente) e regulação positiva da eficiência energética das vias produtoras de ATP
Na adaptação à hipóxia, as vias aeróbicas produtoras de ATP (por mol de O2) são favorecidas
Na adaptação à anóxia, as vias anaeróbicas produtoras de ATP (por mol de H+) são favorecidas
Como as células sabem quando ativar os mecanismos de defesa à hipóxia? Acúmulo de NADH e FADH2
Que vias de uso e produção de ATP são reguladas negativamente e em que grau?
Como são estabilizados os gradientes eletroquímicos da membrana?
Que genes e proteínas são regulados durante o processo?
Modelos de estudo: tartaruga marinha (anaeróbico facultativo), focas, lula, atum
Atividades com maior gasto energético durante anóxia: síntese de proteínas, degradação de proteínas (ciclo da ureia- carbamoilfosfato sintase e argininosuccinato sintetase), bombas iônicas (manutenção potencial de membrana), biossíntese de glicose (gliconeogênese)
Balanço da demanda de ATP e seu fornecimento: em tartarugas, durante a hipóxia, a diminuição do turn-over proteico é de 10X e da taxa metabólica cerebral é de 5X. Assim, 1 mol de ATP sustenta estas células por 10X mais tempo que em condições normais
Mudanças metabólicas durante hipóxia: 
Diminuição da atividade das bombas iônicas até 25%:
Diminuição das proteínas desacopladoras, diminuindo o vazamento de H+ da membrana mitocondrial para produção de ATP (cadeia transportadora de elétrons)
Diminuição da densidade de canais iônicos da membrana
Inibição de sua atividade
Inibição da secreção de neurotransmissores excitatórios (Glu, dopamina)
Aumento da secreção de neurotransmissores inibitórios (GABA)
Efeitos: menor permeabilidade dos íons, aumento limiar do PA, diminuição da condução nervosa
Diminuição da síntese de proteínas em 90% (turn-over proteico):
Inibição da fase de iniciação e elongação da tradução
Etapas: diminuição do ph citoplasmático acúmulo e formação de complexos não funcionais entre EF1alfa e o mRNA
* o EF1alfa apresenta o aminoacil tRNA ao sítio A do ribossomo. A não dissociação deste, impede a ação da peptidil sintetase e a translocação do ribossomo
Síntese da ureia é quase zerado: síntese de Carbamoilfosfato e Argininosuccinato gasta ATP
Diminuição da gliconeogênese: diminuição da ATP sintase
Diminuição da taxa metabólica cerebral
Aumento das enzimas da via glicolítica: PK, PEP, PFK1 e PFK2
Aumento dos transportadores de glicose: glicose é o único combustível
Diminuição do volume mitocondrial e do número de mitocôndrias
Menor atividade das enzimas do ciclo de Krebs
Aumento HF1 alfa: fator de transcrição de genes de enzimas hepáticas (via glicoclítica), transportador de glicose GLUT1, EPo, eritripoietina e VEGF1
Diminuição dos fatores respiratórios nucleares NRFs 1 e 2: fatores de transcrição de sequências reguladoras de genes mitocondriais e nucleares, diminui quando é necessário reduzir a massa mitocondrial (hipóxia)
Aumento do sistema efos e ejun: fatores de transcrição de genes anti-ROS
Aumento da glutationa e da catalase reperfusão (quando tiver O2 vai ser muita quantidade de uma vez)
Vias de sensoriamento de O2
Não são conhecidas em detalhe
Possíveis componentes: hemeproteínas contendo Co+2 ou Ni+2, NADH ou NADPH oxidase, fatores de transcrição como HIF-1alfa, Sp1 e Sp3, NRFs 1 e 2, cfos e cjun
HIF-1alfa (ubiquitina): é um fator de transcrição que interage com o DNA, acopla-se ao ARNT, alterando a transcrição gênica: aumento da transcrição de (1) isoformas hepáticas da PFK, aldolase, PGK, enolase e LDH) (2) do GLUT1 (transportador de glicose meio extracelular citosol) (3) de EPO e eritropoietina (células renais e hepáticas) (4) de VEGF1 (fator de crescimento do tecido vascular) 
Sp1 e Sp3: promotores do genes PK e beta Eno agem como HREs (elementos de resposta à hipóxia). Estão ligados a HREs em miócitos aeróbicos. Durante a hipóxia, apenas o Sp1 continua ligado, enquanto o Sp3 não é mais ligado, a diminuição da ligação do Sp3 é acompanhada com o aumento da atividade do promotor, assim, o Sp3 age como um repressor na transcrição desses genes
Regulação do HIF-1 e do Sp3: HIF-1 alfa e beta são transcritos e traduzidos constitutivamente, em todas das as células dos mamíferos
HIF-1 alfa PE poliubiquitinilado e degradado pelo proteassoma durantes condições aeróbicas (é oxidado), diminui sua meia-vida
Na hipóxia, o HIF-1 alfa se acumula, dimeriza o ARNT e o complexo se transloca para o núcleo onde ativa promotores contendo a sequência consenso
Quando a concentração de O2 atinge um determinado patamar, um resíduo de prolina em HIF-1 é oxidado por uma prolil hidroxilase (PH), criando um sítio de ligação para a proteína pVHL, conhecida como um supressor de tumores, pVHL organiza a montagem de um complexo proteico que ativa a ubiquitina e3 ligase, que modifica e marca o HIF-1 alfa como alvo para degradação
NRFs 1 e 2: fatores de transcrição, sua expressão aumenta quando é necessário incrementar a massa mitocondrial (atividade muscular prolongada), e diminui quando é necessário reduzir a massa mitocondrial (hipóxia)
Os alvos: sequências reguladoras de genes mitocondriais e nucleares
Sistema efos e ejun: fatores de transcrição que formam heterodímeros constituintes da AP1 (ativador do complexo proteico), a AP1 modula a expressão de múltiplos genes, como os de defesa anti-ROS durante hipóxia (SOD dismutase e glutationa S transferase). Jun possui grupos sulfidrila (suscetível à hipóxia e redox)
Indução de genes da via glicolítica 
Resposta a defesa universal da hipóxia
Fermentação da glicose (1 molde glicose = 2 ATPs)
O sistema é de 1/18 a 1/13 de eficiência da fosforilação oxidativa
A taxa de consumo de glicose plea célula é inversamente proporcional à tensão do O2
A taxa de transcrição de genes de enzimas glicolíticas é positivamente regulada pela hipóxia
Pelo menos 8 das 11 enzimas mostram indução durante a hipóxia
Modulação da atividade enzimática 
Fosforilação/defosforilação de enzimas (mecanismo principal)
Hipóxia e mitocôndrias
O O2 é o aceptor final de elétrons na CTE
O metabolismo anaeróbico gera 1/10 da energia gerada no metabolismo aeróbico
Cérebro e coração demandam da maior parte da energia do organismo
A deficiência energética leva à despolarização da membrana e a perda da homeostasia iônica celular
Esse processo inicia uma cascata de eventos dentro da mitocôndria, iniciando uma sobrecarga de íons cálcio e ROS, culminando na apoptose celular
Como as mitocôndrias de animais tolerantes à hipóxia/anóxia evitam consequência patológicas da deprivação de oxigênio?
Vazamento de prótons: movimentos basalou induzido de prótons através da membrana mitocondrial interna
Durante normóxia, corresponde a 20-25% da taxa metabólica basal
Os prótons atravessam a membrana mitocondrial através de proteínas especificas (proteínas não acopladoras), proteínas não especificas (adenina nucleotídeo translocase) e pelo movimento direto através da membrana, e que é determinado pela composição lipídica
Em teoria, a diminuição do vazamento de prótons durante hipóxia/anóxia , ajudaria a estabilizar o potencial de membrana e evitaria a atividade reversa da F1FoATPase (consumindo ATP) no esforço de manter o potencial e o status energético
resumo 
Declínio de 90% ou mais da síntese proteica
Redução da permeabilidade da membrana
Expressão de fatores de transcrição chave (HIF-1, Sp1, Sp3) suja atividade é regulada pela proteólise sensível à hipóxia
Aumento da expressão de genes da via glicolítica
Diminuição da expressão de genes nucleares e mitocondriais que codificam enzimas da CTE
Regulação da expressão de genes como cjun e cfos que controlam numerosos housekeepping
Diminuição de Na+ K+ ATPase
Diminuição da gliconeogênese
Adaptação metabólica para a apneia:	
Aumentar o transporte de oxigênio
Reduzir a saturação da Hb (consegue carrear maior quantidade de O2)
Aumentar a quantidade de ferro, para que mais oxigênio possa se ligar a ele
Alterar o átomo metálico do grupo prostético da Hb
Alterar a quantidade de grupos funcionais protonados da globina
Alterar a estrutura primária da globina
Aumentar a concentração de hemácias – aumento do hematócrito - (que, consequentemente, aumenta a concentração de Hb e Mb)
Presença de um receptor de oxigênio.
Mecanismo do aumento do hematócrito: aumentar a longevidade das hemácias, diminuindo a ciclagem ou aumentar a produção de hemácias por hormônios (eritropoietina), modificar a distribuição de sangue para os tecidos (nem todos vão receber a mesma quantidade).
O metabólito responsável pela redução da afinidade da Hb pelo O2 deve vir da glicólise, já que ela é a única via metabólica que ocorre na ausência de O2 
Manutenção dos potenciais de membrana, já que é o responsável pela maior parte do gasto energético em repouso (transporte por bombas)
Aumentar o limiar do PA, reduzindo a frequências dos impulsos
Aumentar a atividade de neutrotransmissores inibitórios
Diminuir ou inibir a ciclagem das biomoléculas (turn over proteico), diminuindo o gasto de ATP
Controlar a concentração das enzimas, modulando a transcrição e tradução do gene que codifica a proteína
Aumentar a expressão de enzimas contra estresse oxidativo durante a hipoxia
Adaptações anatômicas/fisiológicas:
Maior área de troca gasosa (alvéolos)
Aumentar a densidade capilar (irrigação) - reduzindo as distâncias de difusão - Aumentar o tamanho das vias respiratórias superiores
Trocar o aceptor final de e- por enxofre, gerando ácido sulfídrico
Diminuir a taxa metabólica
Diminuir os batimentos (bradicardia, associada à vasoconstrição periférica), que altera a pressão
Aumentar a permeabilidade da MEC
Reduzir o nível mitocondrial, para que haja menos gasto pelas células 
Como a célula sabe que está em hipóxia? A célula sabe que está em hipoxia, pois percebe a [O2] (mecanismo direto) e o pH baixo (mecanismo indireto), detectado por enzimas (cinases ou fosfatases), pelo aumento de H2CO3, que diminui o pH A hidrólise de ATP, durante exercício físico, promove a acidificação do meio. Pela presença de grupos sulfidrilas.
Vias ativas na hipoxia: glicólise. Como na hipóxia tem baixa concentração de oxigênio, a produção de atp que cada molécula de oxigênio faz é aumentada pra poder suprir as necessidades do organismo
No hipometabolismo, a síntese de proteínas deve ser reduzida, pois o deslocamento para formar a cadeia polipeptídica gasta muita energia; a degradação de proteínas (ciclo da ureia) também deve ser quase zero; a atividade de bombas iônicas e/ou a densidade de canais iônicos de membrana devem ser reduzidas, pois ocorre gasto de energia para gerar gradientes e a síntese de glicose deve ser inibida.
A ciclagem de uma prot gasta 100 ATPs.
A protonação da Hb modifica sua estrutura tridimensional, modificando as ligações com O2.
Subida rápida na água altera rapidamente a pressão, o que altera a pCO2 
Caso as hemácias sejam destruídas e a Hb comece a circular livremente e se acumule nas paredes do glomérulo renal, pode haver insuficiência renal causada por obstrução.
A gordura na superfície da pele é capaz de superar a camada de flotação, permitindo que o indivíduo mergulhe.
Apneia espontânea – feita por algumas focas e leões marinhos
HIF – 1 RESPOSTA À HIPOXIA: ativa as enzimas da glicólise anaeróbia
NRF RESPOSTA À NORMÓXIA: estimula a cte, cac, beta-oxidação, sua expressão aumenta quando é necessário aumentar a massa mitocondrial, regula a transcrição.
Como esses fatores sabem que devem estar ativos? Pela percepção do pH, por mecanismos de modificação covalente (fosforilação e desfosforilação), pela percepção da [O2].
Glutationa: peptídeo com importante ação antioxidante.