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1 1 Metabolismo dos lipídeos Prof. Sébastien Charneau 2 Definição - Lipídeos Definição em relação com a maior propriedade ===> Insolubilidade em água Lipídeos são substâncias de origem biológica, compostos orgânicos solúveis em solventes orgânicos (acetona, metanol, clorofórmio...) e pouco solúvel ou insolúveis em água. Os lipídeos se encontram distribuídos em todos os tecidos, principalmente nas membranas celulares e nas células de gordura. 2 Funções - Lipídeos 3 1- a principal reserva de energia dos animais. go&culas lipídicas nas células são usadas como combus=vel para o organismo Lipídeos são oxidados nas mitocôndrias em CO2 e H2O usando O2 e formando ATP. 2- material para formar membranas celulares (fosfolipídeos, glicolipídeos, colesterol) 3- Isolamento térmico. tecidos subcutâneos dos mamíferos e também diversos órgãos. Também isolamento celular (nas membranas) e permitem um potencial elétrico das membranas. 4- e outros papéis parDculares como hormônios, mediadores e sinais de aDvação É recomendado que 30% da ingestão calórica diária seja consOtuída por gorduras. Os triacilgliceróis fornecem mais da metade das necessidades energéOcas de alguns órgãos, parOcularmente do Pgado, coração e músculo esqueléOco em repouso. Três fontes dos ácidos graxos combus=veis para as células 1- Gordura ingerida na alimentação 2- Gordura armazenada nas células na forma de go&culas gordurosas (tecido adiposo) devido à sua hidrofobicidade e insolubilidade em água 3- Gordura sinteDzada em um órgão e exportadas em um outro (no Pgado dos vertebrados, carboidratos convertem em gorduras para exportar para outros tecidos) 3 Lipídios de armazenamento Adipócitos LIPASES Por que triacilgliceróis? (ou triglicerídios, Gordura neutra) - Molécula altamente reduzida (+ E armazenada) - Molécula hidrofóbica (osmolaridade) - Molécula inerte (grandes estoques) 6 Depósitos gordurosos nas células Gotículas de gorduras nos adipócitos Célula cotiledôna de uma semente de planta Arabidopsis Corpos oleosos claros Corpos proteicos 4 Estrutura dos ácidos graxos Grupo carboxila Cadeia hidrocarbônica Ácidos graxos saturados Mistura de ácidos graxos saturados e insaturados saturado insaturado 8 A oxidação dos ácidos graxos A produção de energia pela degradação dos nutrientes alimentares (oxidação) e das reservas celulares A síntese de pequenas moléculas e macromoléculas a partir de nutrientes alimentares ou de intermediários metabólicos de estruturas simples = catabolismo ATP = anabolismo ATP 5 9 Oxidação = reação química à um composto se combina com um ou alguns átomos de oxigênio, e a espécie química perde elétrons. Na verdade, não necessariamente em presença de oxigênio (quando um elemento perde elétrons o seu estado de oxidação aumenta) Introdução 10 Introdução Oxidação dos ácidos graxos de cadeia longa em acetil-CoA: u Via central liberadora de energia nos animais, muitos protistas e algumas bactérias. u O acetil-CoA pode ser totalmente oxidado até CO2 u músculo = grande consumidor de energia: • glicose= combustível na contração muscular intensa do tipo corrida de 100 m • glicose e ácidos graxos= combustíveis no esforço prolongado do tipo maratona, no repouso, principalmente ácidos graxos PORQUE? ácidos graxos podem ser estocados na forma de Triacilgliceróis gordura armazenada para muitos animais = fonte de energia durante hibernação ou migração dos pássaros. CH3-C-S-CoA =O 6 11 Urso obeso realiza a β-oxidação durante a hibernação No estado de dormência, 7 meses para o urso pardo dos USA: - Temperatura corporal 32-35 ºC, perto da temperatura normal - Não bebe e não come, não urina e não defeca à Gordura= único combustível: (para manter temperatura; síntese ativa de aminoácidos e proteínas e outras...) Oxidação das gorduras libera energia (via ciclo de krebs e cadeia respiratória) e quantidade de água Degradação dos triacilgliceróis também libera glicerol convertido em glicose sanguínea pela neoglicogênese 12 Quilomícron desprovido da maior parte dos TAGs migra até o figado Digestão dos lipídios alimentares Gorduras ingeridas na alimentação Vesícula biliar Intestino delgado Capilar sanguíneo Células epiteliais da mucosa intestinal Quilomícron Lipoproteína/ lipase extracelular Miócitos ou adipócitos (1) As gorduras (partículas) são emulsificadas pelos sais biliares no intestino delgado formando micelas mistas (sais+TAGs) dispersas. Sais biliares (como o ácido taurocólico) sintetizados no fígado a partir do colesterol e liberados no intestino delgado. (2) TAGs Lipases intestinais MonoAGs, DiAGs, AGs livres, Glicerol (3) Os AGs e outros produtos da hidrólise são absorvidos pela mucosa intestinal (células epiteliais) e convertidos em TAGs (5) Os quilomícrons migram para os tecidos e músculos por meio do sistema linfático e da corrente sangüínea. (6) TAGs Lipase lipoproteica AGs, Glicerol (7) AGs e Glicerol são captados pelas células do tecido-alvo (8 ) AGs são ox idados como combust íve is (múscu los ) ou reesterificados para armazenagem como TAGs (tecido adiposo) ATP CO2 (4) TAGs + colesterol + apoproteínas agregados lipoprotéicos 7 13 = mistura entre duas substancias líquidas imiscíveis em que um delas (a fase dispersa) encontra-se na forma de finos gotículas no seio do outro líquido (a fase contínua). Noção de Emulsão Água Óleo Os agentes emulsificantes = substâncias adicionadas às emulsões para aumentar a sua estabilidade cinética tornando-as razoavelmente estáveis e homogêneas. Explo: o fosfolipídeo lecitina da gema do ovo estabiliza a emulsão óleo na água ! mayonnaise è Dispersão de uma substancia na outra na forma de gotículas 14 colesterol TAGs e ésteres do colesterol Fosfolípidios (camada) Apolipoproteínas Partículas lipoprotéicas / Estrutura molecular de um quilomícron A apoC-II ativa a lipase no capilar sanguíneo Apolipoproteínas= no sangue se ligam aos lipídios responsáveis pelo transporte dos TAGs, fosfolipídios, colesterol e ésteres de colesterol. Quando ligado à lipoproteínas Classes de partículas lipoprotéicas (em função dos lipídios ligados): - quilomícron - VLDL em funcão - LDL da densidade - HDL - VHDL Quilomícron (100 à 500 nm) 8 15 Pâncreas do sistema digestivo • Órgão exócrino (secretando suco pancreático que contém enzimas digestivas) • endócrino (produzindo hormônios importantes, como a insulina, glucagon e somatostatina). “Orlistat” ou tetrahidrolipstatina " TAGs não digeridos são excretados TAGs Lipases intestinais MonoAGs, DiAGs, AGs livres, Glicerol (-) pâncreas estoma Vesícula biliar Duodeno ducto hepático comum ducto pancreático Droga anti-obesidade ? 16 Liberação e transporte dos AGs a partir dos TAGs armazenados no tecido adiposo Controle hormonal complexo da lipólise sobre uma lípase hormônio-sensível: Em resposta a níveis baixos ou altos de glicose no sangue, hormônios secretados - Alto => Insulina, Prostaglandina E1, ácido nicotínico: (-) adenilato ciclase àà (-) quinase e não vai ativa a TAG lípase No caso inverso - Baixo => Epinefrina, glucagon, adrenalina: (+) adenilato ciclase No sangue, a albumina carregaaté 10 moléculas de AGs para os tecidos (músculo esquelético, coração, córtex renal) a exceção do cérebro e eritrócitos. Energia disponível dos TAGs Os 3 AGs de cadeia longa glicerol ~95% ~5% Fígado músculo 9 17 Degradação do glicerol Que é oxidado por meio da via glicolítica (fase de compensação). Gliceraldeído-3-fosfato convertido em piruvato e formação acoplada de ATP e NADH. CH2OH C CH2OH HHO ATP ADP glicerol quinase Glicerol CH2OH C CH2 HHO O P O- O- O L-Glicerol-3-fosfato CH2OH C CH2 O O P O- O- O NAD+ NADH + H+ Dihidroxiacetona-fosfato glicerol-3-fosfato desidrogenase C C CH2 HO O P O- O- OH OH Gliceraldeído-3-fosfato triose-fosfato-isomerase fosforilação oxidação isomerisação 18 ATP AMP + 2Pi acil-CoA graxo sintetase (LIGASE) + CoA Acil graxo-CoA Ativação e entrada dos ácidos graxos na mitocôndria Citosol Matriz Espaço intermembranoso Membrana mitocondrial interna Membrana mitocondrial externa Carnitina aciltransferase I Carnitina Carnitina Carnitina Carnitina Carnitina aciltransferase II Transportador Acil graxo-carnitina/carnitina O grupo acil graxo ligado ao grupo hidroxila da Carnitina: 1- Conversão 1 AG em Ester acil graxo -CoA no citosol 2- acil graxo-CoA transesterificado em acil graxo - carnitina pela carnitina aciltransferase I que entra por difusão pelo transportador 3- acil-CoA graxo regenerado pela carnitina aciltransferase II (nova transesterificação com o Co-A) ! Na matriz, acil graxo -CoA é rapidamente degradado è Processo da entrada: passo limitante da oxidação dos AGs AG chegou no tecido que precisa de energia Citosol AG > 14C 1 2 3 10 19 ATP Ácido graxo Acil-CoA graxo Acil-adenilato graxo anidrido misto (ácido carboxilico + ácido fosforico) tioéster acil-CoA graxo sintetase acil-CoA graxo sintetase anidrido fosforico (2 × a. fosforico) Pirofosfato pirofosfatase inorgânica Conversão 1 AG em Ester acil-CoA graxo em detalhos reação espontânea e fornece trabalho =>exergônica Citosol 20 Etapa 1 Etapa 2 Etapa 3 β-Oxidação 8 Acetil-CoA Ciclo do ácido cítrico Respiração (cadeia de transferência de elétrons) Visão geral da oxidação dos AGs Exemplo do ácido palmítico (saturado) (16:0) Remoção oxidativa d e s u c e s s i v a s u n i d a d e s d e 2 átomos de C na forma de acetil-CoA, c o m e ç a n d o p e l a extremidade carboxila da cadeia do AG. Os resíduos acetila são oxidados até CO2 Os elétrons das oxidações são passados para o O2 por meio da cadeia respiratória mitocondrial " Energia ATP por meio da fosforilação oxidativa t r a n s p o r t a d o r e s d e e l é t r ons , as f o rmas reduzidas das: Nicotinamida Adenina Dinucleotídeo – NAD F l a v i n a - A d e n i n a - Dinucleotídeo – FAD CH3-C-S-CoA =O 11 21 Etapa 1 da oxidação dos AGs saturados: A β-oxidação em detalhes ⇒ 7 β-oxidações ⇒ 8 moléculas de Acetil-CoA início pela extremidade carboxila ácido palmítico mitocôndria Palmitoil-CoA acil-CoA desidrogenase trans-∆2-Enoil-CoA enoil-CoA hidratase L-β-Hidroxiacil-CoA β-hidroxiacil-CoA desidrogenase acil-CoA Acetiltransferase (tiolase) β-Cetoacil-CoA (C14) Acil-CoA miristoil-CoA Acetil-CoA FAD + 2e- + 2 H+ ! FADH2 NAD+ + 2e- + 2 H+ ! NADH + H+ 2 oxidações por ciclo (1) Desidrogenação (2) Hidratação (3) Desidrogenação do β–hidroxiacil-CoA em uma acetona (4) Clivagem tiolítica por meio da coenzima A 22 Balanço energético Conversão 1 AG em Ester acil graxo-CoA para entrar na mitocôndria = - 1ATP β-oxidação (Etapa 1): Palmitoil-CoA + 7CoA + 7FAD + 7NAD+ + 7H2O =========> 8 Acetil-CoA + 7FADH2 + 7NADH + 7H+ *Considerando que a fosforilação oxidativa mitocondrial produz 1,5 ATP por FADH2 oxidado e 2,5 ATP por NADH oxidado 7 × 1,5 = 10,5 ATP 7 × 2,5 = 17,5 ATP * A fosforilação oxidativa da 3º etapa: Palmitoil-CoA + 7CoA + 7O2 +28Pi + 28ADP ===> 8 Acetil-CoA + 28ATP + 7H2O Ciclo ácido cítrico (Etapa 2) junto com fosforilação oxidativa da 3º etapa: 8 Acetil-CoA + 16O2 + 80Pi + 80ADP =====> 8CoA + 80ATP + 16 H2O + 16 CO2 Global: Palmitoil-CoA + 23O2 +108Pi + 108ADP =====> CoA + 108ATP + 16 CO2 + 23H2O 108 ATP 23 H2O acil-CoA graxo sintetase 12 23 Oxidação de 1 Acil graxo-CoA monoinsaturado Exemplo do ácido oléico 18:1(∆9) Exige uma enzima adicional para reposicionar a dupla l igação, convertendo o isômero cis em isômero trans , um intermediário normal da β-oxidação. Oleoil-CoA Enoil-CoA isomerase cis-∆3-Dodecanoil-CoA β-oxidação (3 ciclos) 3 Acetil-CoA β-oxidação (5 ciclos) trans-∆2- Dodecanoil-CoA 6 Acetil-CoA ácido oléico mitocôndria 18:1(∆9) è Requer mais 2 reações a maioria dos AGs (animais e vegetais) são insaturados +3 FADH2 e 3 NADH +4 FADH2 e 5 NADH 4 3 3 2 24 Oxidação de 1 Acil graxo-CoA poliinsaturado Exemplo do ácido linoléico 18:2(∆9,12) 2,4dienoil-CoA reductase Enoil-CoA isomerase β-oxidação (4 ciclos) 5 Acetil-CoA trans-∆2, cis-∆4, enoil-CoA trans-∆3 trans-∆2 β-oxidação (3 ciclos) 3 Acetil-CoA Enoil-CoA isomerase β-oxidação (2ª oxidação do ciclo e 1ª oxidação do 2º ciclo) Acetil-CoA linoleoil-CoA cis-∆9, cis-∆12 cis-∆3, cis-∆6 trans-∆2, cis-∆6 ácido linoléico mitocôndria 18:2(∆9,12) 13 25 Oxidação completa de 1 Acil graxo-CoA de número ímpar de átomos de carbono: Exemplo do propionato CH3-CH2-COO- encontrados em quantidades significativas nos lipídios de muitos vegetais e organismos marinhos usado como inibidor de crescimento de fungos no pães e cereais ===> entra na dieta humana. Propionil-CoA D-Metilmalonil-CoA propionil-CoA carboxilase metilmalonil-CoA epimerase metilmalonil-CoA epimerase coenzima B12 L-Metilmalonil-CoA Succinil-CoA biotina (co-fator) Intermediário do Krebs ==> energia mesma via que AGs com número par de C + essa via incomum com o propionil-CoA de 3 carbonos com adição de 1 C do íon bicarbonato. + 1 C do íon bicarbonato AG ímpares: plantas e organismos marinhos è Requer mais 3 reações 26 Regulação do catabolismo dos ácidos graxos β-oxidação ocorra apenas quando precisa energia 14 27 Regulação de maneira estrita da oxidação dos AGs na entrada dos AGs no local da β-oxidação No fígado, o acil-CoA graxo formado no citossol para: - oxidação na mitocôndria (degradação) - ou para conversão em TAGs e fosfolipídeos no citossol (síntese) Citosol Matriz Espaço intermembranoso Membrana mitocondrial interna Membrana mitocondrial externa Carnitina aciltransferase I Carnitina Carnitina Carnitina Carnitina Carnitina aciltransferase II Transportador acil-carnitina/carnitina Malonil-CoA (o 1o intermediário na biossíntese citosolica dos ácidos graxos de cadeia longa a partir do acetil-CoA) (-) Acil-CoA que entra é automaticamente oxidado!!! passo limitante da oxidação dos AGs 28 Palmitoil-CoA acil-CoA desidrogenase trans-∆2-Enoil-CoA enoil-CoA hidratase L-β-Hidroxiacil-CoA β-hidroxiacil-CoA desidrogenase acil-CoA Acetiltransferase (tiolase) β-Cetoacil-CoA (C14) Acil-CoA miristoil-CoA Acetil-CoA Regulação de maneira estritada oxidação dos AGs na β-oxidação mesmo (-) Razão [NADH] / [NAD+] ALTA (-) [Acetil-CoA] ALTA 15 ACC – acetil-CoA-carboxilase PKA (ou AMPK) – inativa Atividade muscular Por que carboidrato em excesso engorda? 30 em certas células de plantas: Ø glioxissomos, peroxissomos especializados encontrados Nas células animais: Ø matriz mitocondrial = Principal sítio de oxidação dos AGs Também no peroxissomo (pequena vesícula): Ø = compartimento para segregar moléculas muito toxicas para as células, os radicais livres e peróxido de hidrogênio (= água oxigenada, H2O2) Ø animais e plantas 16 31 (1) Desidrogenação (2) adição de H2O à dupla ligação (3) Oxidação do β–hidroxiacil- CoA em uma acetona (4) Clivagem tiolítica por meio da coenzima A Mitocôndria Peroxissomo/glioxissomo o peróxido de hidrogênio (a água oxigenada, oxidante forte, potencialmente tóxica); imediatamente destruído pela catalase β-oxidação também ocorre nos peroxissomos • Os mesmos 4 passos • As diferenças: 1- No 1o passo, a flavoproteina desidrogenase (que introduz a dupla ligação) passa seus elétrons diretamente para O2, produzindo H2O2; energia liberado como calor 2- NADH não pode ser reoxidado 3- peroxissomo hepático não tem enzima do ciclo do ácido cítrico ==> não tem oxidação do acetil-CoA em CO2, então ele é exportado até mitocôndria; catalase β-Cetoacil-CoA β–hidroxiacil-CoA 32 β-oxidação nos glioxissomos durante a germinação das sementes Triacilglicerois da semente Acidos graxos Acetil-CoA Oxaloacetato Glicose Sacarose polissacarideos Intermediários metabolicos Aminoácidos Nucleotídeos Energia β-oxidação ciclos do glioxilato e do ácido cítrico Lipases Gliconeogênese Nos vegetais, β-oxidação dos AGs: • nos peroxissomos do tecido das folhas • e nos glioxissomos das sementes apenas durante a germinação • peroxissomos/glioxissomos ! fornecer precursores biossintéticos à partir de TAGs armazenados • β-oxidação não é uma fonte importante de energia • mitocôndria das plantas sem enzima da β- oxidação então ocorre no glioxissomo • Durante germinação os TAGs são convertidos em carboidratos e outros metabólitos essenciais 17 33 ω-oxidação no retículo endoplasmático ciclo do ác cítrico ou eliminados na urina ç hidroxila aldeído acido carboxílico mitocôndria reticulo endoplasmático oxidação de função mista (envolve CitoP450 oxidase e NADPH=doadores de e-) álcool desidrogenase aldeído desidrogenase β-oxidação succinato adipato (acido adípico) + AG com 2 carboxilas existe uma outra via, em alguns organismos, incluindo os vertebrados, a oxidação do carbono ω, no retículo endoplasmático do fígado e do rim substratos preferidos= AGs com 10 à 12 C. (1) + grupo hidroxila no Cω (2) Desidrogenação (oxidação do hidroxila em aldeído) (2) Desidrogenação (oxidação do aldeído em á. carboxílico) CoA Liberação dois acidos dicarboxílicos 34 Formação de Corpos cetônicos no fígado, solúveis no sangue e urina acetona Acetoacetato D-β-hidroxibutirato Combustível para tecidos extra-hepáticos como o cérebro em condição de jejum onde convertido em acetil-CoA quando o glicose não está disponível!!!! exalada san gue Pessoa diabética não tratada produz muita acetona ==> odor de maçã tiolase (1) Condensação (reação inversa do ultimo passo da β- oxidação) HMG-CoA sintase HMG-CoA liase (2) Condensação (3) Quebra D-β-Hidroxibutirato desidrogenase Aceto aceta to desca rboxi lase (4) redução Destinos do Acetil-CoA (do estágio 1) no fígado: - ciclo ácido cítrico (etapa 2) - ou, convertidos em Corpos cetônicos solúveis no sangue para outros tecidos: glicose não está disponível 18 35 Corpos cetônicos como combustíveis para tecidos extra-hepáticos Ciclo ácido cítrico fígado tecidos extra-hepáticos sangue D-β- Hidroxibutirato desidrogenase (1) Oxidação (2) Transferência de CoA Intermediário que vem do ciclo cítrico β-cetoacil-CoA transferase (tioforase) tiolase (3) Clivagem em duas moléculas 36 Diabetes melito e desnutrição (1) intermediares (como oxaloacetato) do ciclo do ácido cítrico empregados para síntese da glicose (gliconeogênese) (2) ! diminuição do ciclo e diminuição da oxidação do Acetil-CoA e assim não tem liberação do Co-A (3) ! Diminuição da quantidade limitada de CoA ! β-oxidação diminui (4) " Corpos cetônicos produzidos em excesso liberando CoA e permitindo a oxidação dos AGs Se jejum prolongado ou diabete não tratado ==> superprodução de corpos cetônicos em cima da capacidade da oxidação pelos tecidos extra- hepáticos ==> [acetoacetato] e [D-β- hidroxibutirato] ↑ no sangue e pH ↓ ==> acidose no sangue até coma e morte Se [corpos cetônicos] no sangue e na urina de diabético não-tratado muito ↑ ==> cetose Corpos cetônicos (1) (2) (3) (4) cetoacidose
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