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Aurélio V. Graça-Souza, PhD 
Professor Adjunto 
Lab de Imunobiologia Vascular 
avsouza@bioqmed.ufrj.br 
•  Bioquímica é o estudo dos processos químicos que 
ocorrem em um organismo vivo. 
•  Bioquímicos adoram -> Estrutura e função! 
▫  Ácidos Nucleicos 
▫  Carboidratos 
▫  Lipídios, 
▫  Proteinas 
•  Existem diferentes tipos de biomoléculas protéicas 
▫  Monômeros: pequenas unidades protéicas 
▫  Polímeros: longos filamentos formados pela repetição 
similar dessas subunidades 
▫  Complexos: Interação entre proteínas. 
  Homocomplexos. 
  Heterocomplexos. 
•  Diferentes complexos podem realizar diferentes funções. 
BIOQUIMICA DO MUSCULO CARDIACO 
•  O coração é um dos tecidos mais ativos do corpo. 
•  A função do miocárido depede de um equilíbrio 
sutil entre o trabalho que o coração deve exercer 
para alcançar a demanda corporal e a energia 
que o mesmo é capaz de suprir para manter sua 
contração. 
•  O músculo cardíaco e altamente oxidativo 
•  Para dar suporte esta alta taxa de exercício o 
metabolismo cardíaco é desenhado para fornecer 
grandes quantidades de ATP através da fosforilação 
oxidativa 
•  EM condições basais em aerobiose, 60% da 
energia vem de ácidos graxos e triglicerídeos, 
35% de carboidratos, 5% de aminoácidos e 
corpos cetônicos 
BIOQUIMICA DO MUSCULO CARDIACO 
•  A respiração mitocondrial produz mais de 90% da 
energia 
•  As mitocôndrias ocupam 30% da área do cardiomiócito 
•  >95% vem da fosforilação oxidativa 
•  ~ 60-70% da hidrólise de ATP e usada para a contração 
muscular, ~30 - 40% para a Ca2+-ATPase de retículo e 
outras bombas de íons. 
BIOQUIMICA DO MUSCULO CARDIACO 
•  Tipos de músculos: 
 Esquelético: movimento dos ossos 
 Estriado: 
 Cardíaco: bombeamento do sangue 
 Liso: movimentos peristalticos e de fluxo sanguíneo. 
Controle 
Involuntário 
Controle Voluntário 
Esquelético Cardíaco Liso 
•  A contração muscular é o resultado obtido por um grupo de 
proteínas que interagem para transformar a energia química 
em movimento. 
•  A força contratil do músculo ocorre pela interação entre duas 
proteínas: Miosina e Actina 
•  Essa força é regulada pelo heterocomplexo formado entre: 
Tropomiosina e Toponina 
•  90% da célula muscular é composta de fibra proteica 
•  80% da fibra proteica é composta de Miosina e Actina 
•  Ligantes químicos mais utilizados: ATP, Ca2+, Mg2+. 
•  O monômero possui 64 kDa 
•  Se extende ao longo do filamento de Actina, numa sobreposição de moléculas do 
tipo Head-to-Tail. 
•  É composta de 2 α-helices antiparalelas, que se entrelaçam para formar complexo 
homodimérico. 
NH2 - 
NH2 - 
- COO- 
1 30 190 284 
1 30 190 284 
- COO- 
Tropomiosina 
Tropomiosina 
PDB: 1C1G 
NH2 
NH2 
COO– 
COO– 
NH2 
COO– 
NH2 
COO– 
•  Existem 4 genes que codificam para a tropomiosina, 
▫  TPM1: Tropomiosina 1 (alpha) 
▫  TPM2: Tropomiosina 2 (beta) 
▫  TPM3: Tropomiosina 3 
▫  TPM4: Tropomiosina 4 
•  Os genes mais estudados são: 
▫  TPM1: Mutação nesse gene está associado com uma cardiomiopatia 
hipertrófica familiar do tipo 3. 
▫  TPM2: Troca de aminoácidos resulta em fraquesa muscular e 
deformidades no membro distal. 
▫  TPM3: Mutação nesse gene resulta em miopatia autossomal 
dominante e câncer. 
α-Tropomyosin Mutation D175N in Familial Hypertrophic Cardiomyopathy 
B, area with myocyte disarray of the 
ventricular septum. 
20 µm 
A, area of normal histological structure of 
the left ventricular free wall. 
20 µm 
Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol (March 18, 2004) 
•  No músculo esquelético a Troponina C, possui 4 sítios de ligação ao Cálcio 
•  No músculo cardíaco a Troponina C, possui 3 sítios de ligação ao Cálcio 
Troponina C 
Ca2+ 
Ca2+ 
Ca2+ 
Ca2+ 
Ca2+ 
Ca2+ 
•  A detecção da Troponina T e I no sangue são indicadores de 
injúria no cardiomiócito, como: 
–  Infarte do miocárdio - 
–  Vasoespasmo coronariano - 
–  Taquicardia severa - taquicardia supraventricular devido 
ao aumento na demanda de oxigênio ou suprimento 
inadequado do músculo coração. 
–  Falha cardíaca - morte ou anomalias do ritmo ventricular. 
–  Cardiomiopatias dilatadas ou hipertróficas. 
American Family Physician, v.: 72 (1), 2005. 
Qual o papel do Complexo Tropomiosina-
Troponina??? 
•  O Monômero, a G-Actina, possui 42 kDa de massa molecular. 
•  A F-Actina, o polímero, representa de 20-25% da estrutura 
muscular. 
•  Exerce sua função pela polimerização em filamento de F-actina. 
•  Ligantes químicos: ATP e Mg2+ 
•  Proteína mais abundante nas células eucarióticas. 
•  Importante papel na motilidade, regulação e forma da célula. 
•  Defeitos neste gene tem sido associado com com cardiomiopatia dilatada 
idiopática (IDC) e cardiomiopatia hipertrofica familiar (FHC). 
ATP 
Mg2+ 
Mg2+ 
Mg2+ 
•  O Homohexâmero possui massa molecular total de 540 kDa. 
•  Consiste de 
▫  4 cadeias leves (4 x 20 kDa) 
▫  2 cadeias pesadas (2 x 220 kDa), 
  Cabeça globular na porção N-terminal, contendo as unidades menores 
  Cauda com 150 nm de comprimento que se entrelaçam para formar uma 
super hélice 
220
kDa

20
kDa

Trypsin

Papain

•  O domínio catalítico é o responsável pela hidrólise de ATP. 
•  Ligante químico: ATP e Ca2+ 
RLC

ELC

Ac5n‐Binding
Site

ATP‐Binding
Site

Cataly5c
Domain

•  O conjunto formado por centenas de moléculas de miosinas formam um 
filamento expesso que representa 65% do total de proteínas da fibra muscular. 
•  Uma
mutação
gené5ca
da
miosina
está
associado
com
aproximadamente
40%
dos
casos
de

Cardiomiopa5a
Hipertrófica
(HCM).

Arranjo Estrutural do Complexo 
Troponina-Tropomiosina-Actina-
Miosina 
Z1
 Z2
 Z1
 Z2

PEVK
 PEVK

•  A
mutação
neste
gene
está
associada
com:

–  Cardiomiopa5a
Hipertrófica
Familiar,

–  Distrofia
Múscular
Tibial.



•  Fase 1: 
▫  Em repouso a cabeça de miosina está ligada a 
uma molécula de ATP em configuração de baixa 
energia e incapaz de acessar a actina. 
▫  Neste estado a miosina pode hidrolizar o ATP em 
ADP + Pi. 
▫  A energia liberada modifica a estrutura da 
miosina e promove uma configuração de alta 
energia. 
•  Fase 2: 
▫  Quando a miosina se liga a actina, libera o ADP + 
Pi. 
▫  A liberação do ADP + Pi, altera a configuração da 
miosina para uma de baixa energia. 
▫  A nova conformação da cabeça da miosina, faz 
ela caminhar sobre o filamento de actina, 
aproximando as duas bandas Z e encurtando o 
sarcomêro. 
•  Fase 3: 
▫  A miosina se mantém ligada a actina num estado 
conhecido como rigor até que uma nova 
molécula de ATP se ligue a miosina 
•  Fase 4: 
▫  A ligação com o ATP desliga a miosina da actina. 
▫  O ATP associado esta pronto para um novo ciclo 
de hidrólise do ATP. 
ATP
 ADP
Pi

Fase
1

ADP

Pi

ADP

Pi

Fase
2

ATP

ATP

Fase
3

ATP
 ATP

Fase
4

Tipos de exercício: 
•  Atleta Endurance 
•  Atleta de Força 
Vias metabólicas oxidativas 
Carbohydrate metabolism 
Substratos glicolíticos são derivados da glicose 
exógena e dos estoques de glicogênio 
O pool de glicogênio cardíaco é pequeno (~30 µmol/g 
comparado com ~150 µmol/g wet wt do musculo 
esquelético). 
•  O transporte de glicose para o cardiomiócito é 
regulado por um gradiente transmembrar e pelo 
conteúdo de GLUT-4 (em menor proporção GLUT-1). 
Carbohydrate metabolism •  Insulin stimulation, increased 
work demand, or ischemia 
increase glucose transport and 
rate of glucose uptake. 
•  Glycolytic pathway converts 
glucose 6-phosphate and NAD+to pyruvate and NADH, 
generate 2 ATP for each glucose 
molecule. 
•  Pyruvate and NADH are 
shuttled to the mitochondrial 
matrix to generate CO2 and NAD+ - complete aerobic 
oxidative glycolysis 
generate 36 ATP for each 
glucose molecule. 
http://www.nature.com/nrc/journal/v4/n11/fig_tab/nrc1478_F1.html 
Carbohydrate metabolism •  Fosfofructokinase-1 (PFK-1) – key 
regulatory enzyme in glycolytic 
pathway – catalyzes the first 
irreversible step. 
•  PFK-1 utilized ATP fructose 1,6-
bisphosphate, is activated by ADP, 
AMP and Pi and inhibited by ATP 
and fall in pH. 
•  PFK-1 can be also stimulated by 
fructose 2,6-bisphosphate (formed 
from fructose 6-phosphate by 
PFK-2). 
W.C. Stanley et all. Physiol. Rev. 85, 2005 
Carbohydrate metabolism 
•  In the mitochondria pyruvate is: 
▫  dexarboxylated and oxidized into acetyl CoA by pyruvate 
dehydrogenase (PDH) 
▫  or carboxylated into oxalacetate by pyruvate 
carboxylase. 
▫  or reducted to lactate. 
•  The control of PDH activity is an essential 
part of overall control of glucose 
metabolism. 
•  PDH – mitochondrial multicomplex, activity is 
controlled by work, substrate and hormones. 
Carbohydrate metabolism 
•  Under anaerobic condition (ischemia) 
pyruvate is converted to lactic acid – 
nonoxidative glycolysis. 
•  Lactate is released in the blood stream through 
specific transporter. 
•  Critical role of transporter in maintaining the 
intracellular pH (removes also the protons 
produced by glycolysis). 
Lactate metabolism 
•  During starvation, lactate can be recycled to 
pyruvate. 
•  NAD+ is reduced to NADH (3 ATP - lactate 
oxidation to pyruvate) 
•  Pyruvate is then burned aerobically in the CAC, 
liberating ca 14 ATP per cycle. 
Fatty acid metabolism 
FFA enter the cardiomyocyte by: 
▫  passive diffusion 
▫  protein-mediated transport across sarcolema – fatty acid translocase (FAT) or 
plasma membrane fatty acid binding protein (FABPpm). 
Fatty acyl-CoA synthase (FACS) activates nonesterified FA by esterification to 
fatty acyl-CoA. 
W.C. Stanley et all. Physiol. Rev. 85, 2005 
Fatty acid metabolism 
Long chain fatty acyl-CoA can be: 
▫  esterified to triglyceride (glycerolphosphate acyltransferase)  intracardiac 
triglyceride pool (10-30% of FA) 
▫  or converted to long chain fatty acylcarnitine by carnitine 
palmitoyltransferase-I (CPT-I) between inner and outer mitochondria 
membranes. 
W.C. Stanley et all. Physiol. Rev. 85, 2005 
Fatty acid metabolism 
Carnitine acyltranslocase (CAT) transports long-chain acylcarnitine 
across the inner membrane in exchange for free carnitine. 
Carnitine palmitoyltransferase II (CPT-II) regenerates long chain 
acyl-CoA to free fatty acyl-CoA 
W.C. Stanley et all. Physiol. Rev. 85, 2005 
Fatty acid metabolism 
•  CPT-I can be strongly inhibited by malonyl CoA (on the cytosolic side 
of the enzyme). 
•  Two isoforms of CPT-I: 
▫  liver CPT-Iα and heart CPT-Iβ
▫  CPT-Iβ is 30-fold more sensitive to malonyl-CoA inhibition. 
W.C. Stanley et all. Physiol. Rev. 85, 2005 
Fatty acid metabolism 
•  Malonyl-CoA - key physiological regulator of FA oxidation in heart (in 
malonyl-CoA  FA uptake and oxidation). 
▫  formed from the carboxylation of acetyl-CoA (acetyl-CoA carboxylase – ACC) 
from extramitochondrial acetyl-CoA (derived from citrate via ATP-citratelyase 
reaction) 
▫  rapid rate of turnover in the heart. 
•  ACC activity is inhibited by phosphorylation of AMPK (AMP-activated 
protein kinase)  acceleration of FA oxidation. 
W.C. Stanley et all. Physiol. Rev. 85, 2005 
Fatty acid metabolism 
•  FA undergo β-oxidation generating NADH and FADH2. 
•  Acetyl-CoA formed in β-oxidation generate more NADH in citric 
acid cycle (CAC). 
W.C. Stanley et all. Physiol. Rev. 85, 2005 
Interregulation of fatty acid and 
carbohydrate oxidation •  The primary physio-logical regulator of flux 
through PDH and the 
rate of glucose oxidation 
in the heart is fatty acid 
oxidation. 
•  PDH activity is inhibited 
by high rate of FA 
oxidation via an increase 
in mitochondrial acetyl-
CoA/free CoA and 
NADH/NAD+ which 
activates PDH kinase. 
Interregulation of fatty acid and 
carbohydrate oxidation •  Inhibition of FA 
oxidation increases 
glucose and lactate 
uptake and oxidation 
by: 
1.  decreasing citrate 
levels and inhibition 
of PFK 
2.  lowering acetyl CoA 
and/or NADH levels 
in the mitochondria 
Keton body metabolism 
•  During starvation or poorly controlled diabetes 
the heart extracts and oxidized ketone bodies (β-
hydroxybutyrate and acetoacetat). 
•  Low insuline and high fatty acids  ketone bodies. 
•  Ketone bodies become a major substrate for 
myocardium. 
•  Ketone bodies inhibit PDH (inhibition of glucose 
oxidation) and fatty acid β-oxidation. 
Some aspects of myocardial 
biochemistry of heart failure 
•  Heart failure reduces the capacity to transduce 
the energy from foodstuff into ATP. 
•  In the advanced stage of HF  
▫  down regulation in FA oxidation, 
▫  increased glycolysis and glucose oxidation 
▫  reduced respiratory chain activity 
Literature 
Reviews: 
•  W.C. Stanley, F.A. Recchia, G.D. Lopaschuk: 
Myocardial substrate metabolism in the normal and 
failing heart. Physiol. Rev. 85:1093-1129, 2005 
•  CH. Depré, M.H. Rider, L. Hue: Mechanism of 
control of heart glycolysis. Eur. J. Biochem. 
258:277-290, 1998 
•  R. Ventura-Clapier, A. Garnier, V. Veksler: Energy 
metabolism in heart failure. J. Physiol. 555:1-13, 
2003 
Quais então as preferencias 
metabólicas de cada tipo de atleta 
durante o exercício? 
•  Endurance? 
•  Força? 
E as regulações? 
•  AMPK 
Estrutura da AMPK 
Α
–
Subunidade
catalí5ca 
Β – Subunidade
regulatória 
γ
–
Subunidade
regulatória 
Como a AMPK pode regular o 
metabolismo energético durante o 
exercício físico? 
AMPK regula vias catabólicas em 
detrimento às anabólicas: 
Creatinacinase 
gene protein 
CKB creatine kinase, brain, BB-CK 
CKBE creatine kinase, ectopic expression 
CKM creatine kinase, muscle, MM-CK 
CKMT1A, CKMT1B creatine kinase mitochondrial 1; ubiquitous mtCK; or umtCK 
CKMT2 creatine kinase mitochondrial 2; sarcomeric mtCK; or smtCK 
• Enzima presente em praticamente todos os tecidos 
• Mais expressa em tecidos de alta demanda energética 
CK Vs AMPK 
•  Balanço AMP/ATP 
AMP
K 
CK ATP 
ATP 
Diferença??? 
E no coração? 
•  Músculo cardíaco tem peculiaridades 
•  Mas é um músculo! 
•  Isoformas enzimáticas próprias 
•  Lactato desidrogenase! 
LDH 
•  Enzima interconversora de lactato a piruvato 
com gasto de potencial redutor 
Produção de lactato durante o 
exercício físico 
Isoformas de LDH 
•  O LDH é uma proteína tetramérica, onde suas 
subunidades são codificadas por 2 genes, H e M 
•  No total existem 5 isoformas: 
•  LDH1 – HHHH – Coração e eritrócitos 
•  LDH2 – HHHM - Coração e eritrócitos 
•  LDH3 – HHMM – Cérebro e rins 
•  LDH4 – HMMM – Músculo esquelético e fígado 
•  LDH5 – MMMM - Músculo esquelético e fígado 
Diferenças entre as tais LDH 
•  Isoformas cardíaca e Muscular = Diferentes Km 
e Vmax para piruvato e lactato 
•  LDH1 e LDH2 = ↑
piruvato

•  LDH4 e LDH5 = ↑
lactato 
•  esquema 
•  video