ATP - Tudo sobre o gasto de energia no nosso corpo

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Transferência de Energia no Corpo
OBJETIVOS DO CAPÍTULO
Identificar os fosfatos de alta energia e discutir as suas contribuições para a energização do trabalho biológico
Quantificar as reservas corporais de trifosfato de adenosina (ATP) e de fosfocreatina (PCr) e citar exemplos de atividades físicas nas quais cada fonte energética
predomina
Esboçar o transporte de elétrons-fosforilação oxidativa
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1.
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Discutir o papel do oxigênio no metabolismo energético
Listar as importantes funções dos carboidratos no metabolismo energético
Descrever a liberação de energia celular durante o metabolismo anaeróbico
Realçar as eficiências na conservação de energia do metabolismo aeróbico versus anaeróbico
Discutir a dinâmica da formação de lactato e seu acúmulo no sangue durante o aumento da intensidade do exercício
Descrever o papel do ciclo do ácido cítrico no metabolismo energético
Esboçar as vias gerais para a liberação de energia durante o catabolismo de macronutrientes
Comparar o rendimento de ATP a partir do catabolismo de uma molécula de carboidrato, gordura e proteína
Discutir o papel do ciclo de Cori no metabolismo energético do exercício
Delinear as interconversões entre carboidratos, gorduras e proteínas
Explicar a frase: “As gorduras queimam em uma chama de carboidratos”
O corpo humano precisa de um suprimento contínuo de energia química para manter numerosas funções fisiológicas
complexas. A energia oriunda da oxidação do alimento não é prontamente liberada quando se atinge uma determinada
temperatura, como ocorre quando materiais orgânicos são incinerados e liberam calor. O organismo, diferentemente de um
motor mecânico, não consegue utilizar a energia térmica. Se o organismo requisitasse somente energia térmica, os líquidos
corporais ferveriam e os tecidos queimariam em chamas.
Na verdade, a dinâmica da energia humana envolve a transferência de energia por intermédio de ligações químicas. A
energia potencial contida nas ligações dos carboidratos, das gorduras e das proteínas é liberada por etapas em pequenas
quantidades graças à clivagem das ligações químicas. Parte dessa energia é conservada quando são formadas novas ligações
durante as reações controladas por enzimas no ambiente aquoso frio das células. A energia perdida por uma molécula é
transferida para a estrutura química de outras moléculas sem aparecer na forma de calor. Isso confere alta eficiência às
transformações energéticas.
O trabalho biológico ocorre quando compostos pobres em energia potencial são “enriquecidos” pela transferência de
energia através das ligações de fosfato de alta energia. De certo modo, as células recebem toda a energia de que necessitam. A
história de como o organismo mantém seu fornecimento contínuo de energia se inicia com o ATP, que é a molécula carreadora
especial de energia livre.
ENERGIA DAS LIGAÇÕES FOSFATO
TRIFOSFATO DE ADENOSINA: MOEDA CORRENTE DA ENERGIA
A energia contida nos alimentos não é transferida diretamente às células para a realização de um trabalho biológico. A energia
proveniente da oxidação dos macronutrientes é recolhida e conduzida através do composto rico em energia trifosfato de
adenosina (ATP). A energia potencial nessa molécula de nucleotídeo aciona todos os processos celulares que precisam de
energia. Em essência, o papel de doador de energia-receptor de energia do ATP representa as duas principais atividades
transformadoras de energia da célula:
Extrair a energia potencial dos alimentos e conservá-la nas ligações do ATP.
Extrair e transferir a energia química contida no ATP para acionar o trabalho biológico.
O ATP é o agente ideal para a transferência de energia. Ele retém em suas ligações fosfato uma grande parte da energia
potencial da molécula original do alimento. O ATP transfere também prontamente essa energia retida para outros compostos a
fim de conferir-lhes um nível mais alto de ativação. A célula contém outros compostos de alta energia (p. ex.,
fosfoenolpiruvato; 1,3-difosfoglicerato; fosfocreatina), porém o ATP ainda é o mais importante. A FIGURA 6.1 mostra como o
ATP é formado a partir de uma molécula de adenina e de ribose (denominada adenosina) unida a três fosfatos (trifosfato), cada
um deles consistindo em átomos de fósforo e de oxigênio. As ligações que unem os dois fosfatos mais externos (simbolizadas
como ) representam as ligações de alta energia, pois liberam energia útil durante a hidrólise. A energia liberada impulsiona
as funções corporais, incluindo secreção glandular, digestão, síntese de tecidos, função circulatória, ação muscular e
transmissão nervosa. Nos músculos estriados esqueléticos, a energia estimula locais específicos dos elementos contráteis a
ativarem os motores moleculares que fazem com que as fibras musculares contraiam. Um novo composto, o difosfato de
adenosina (ADP), é formado quando o ATP se combina com a água, o que é catalisado pela enzima adenosina trifosfatase
(ATPase).
A reação cliva a ligação fosfato mais externa do ATP para liberar um fosfato inorgânico e aproximadamente 7,3 kcal de
energia livre ou –ΔG (i. e., energia disponível para o trabalho) por mol de ATP hidrolisado para ADP. O símbolo ΔG refere-
se à mudança padronizada de energia livre medida em condições laboratoriais (25°C; pressão de uma atmosfera;
concentrações mantidas em 1 molal para um pH = 7,0). Apesar de as condições laboratoriais padronizadas só serem
conseguidas raramente no corpo, essa expressão de mudança da energia livre permite fazer comparações em diferentes
condições. No ambiente intracelular, esse valor pode aproximar-se de 10 kcal/mol.
A energia livre liberada na hidrólise do ATP reflete a diferença de energia entre o reagente e os produtos finais. Essa
reação gera muita energia livre, o que torna o ATP um composto fosfato de alta energia. Raramente, mais energia é liberada
quando outro fosfato é separado do ADP. Em algumas reações de biossíntese, o ATP doa simultaneamente seus dois fosfatos
terminais para formar um novo material celular. A molécula remanescente, monofosfato de adenosina (AMP), só tem um grupo
fosfato.
A energia liberada durante a degradação do ATP é transferida diretamente para outras moléculas que necessitam de
energia. A energia proveniente da hidrólise do ATP aciona todas as formas de trabalho biológico; assim, o ATP constitui a
“moeda corrente da energia” das células.
A FIGURA 6.2 ilustra o papel do ATP como moeda energética para o trabalho biológico da síntese de macronutrientes em
processos anabólicos (endergônicos) e sua reconstrução subsequente a partir de ADP e o íon fosfato (Pi) por intermédio da
oxidação dos macronutrientes armazenados pelos processos catabólicos ou exergônicos. O ATP é clivado quase
instantaneamente sem a necessidade do oxigênio molecular. Essa capacidade de hidrolisar o ATP sem oxigênio
(anaerobicamente) gera transferência rápida de energia. Os exemplos de movimentos corporais que exigem esse tipo de
energia “rápida” são um “pique” (sprint)de 10 s para pegar um ônibus, o levantamento de um objeto, uma tacada de golfe, o
bloqueio no voleibol ou a realização de um exercício com apoio de frente ou de flexão e extensão. Em cada caso, o
metabolismo energético prossegue de forma ininterrupta, pois a energia necessária para a atividade deriva quase
exclusivamente da hidrólise intramuscular do ATP.
FIGURA 6.1 Estrutura do ATP, a moeda corrente energética que aciona todas as formas de trabalho biológico. O
símbolo representa as ligações de alta energia.
O corpo sempre procura manter um suprimento contínuo de ATP por diferentes vias metabólicas; algumas estão
localizadas no citosol (citoplasma) da célula, enquanto outras operam no interior das mitocôndrias (FIGURA 6.3). Por
exemplo, o citosol contém as vias para a produção de ATP a partir da degradação anaeróbica de PCr, glicose, glicerol e o
arcabouço de carbono de alguns aminoácidos desaminados. Na mitocôndria, os processos reativos utilizam (recolhem) a
energia celular para a geração aeróbica de ATP (ver “Oxidaçãocelular”, adiante), o ciclo do ácido cítrico e a cadeia
respiratória através da membrana interna (observe a seta apontando para o espaço intermembranar).
ATP | Uma moeda corrente limitada
As células contêm pouco ATP e, portanto, têm de ressintetizá-lo continuamente de modo a acompanhar a taxa de utilização.
Apenas em condições de atividade física extrema os níveis de ATP no músculo estriado esquelético sofrem redução. Um
aporte limitado de ATP proporciona um mecanismo biologicamente útil para regular o metabolismo energético. Graças a
manutenção de pouco ATP, a concentração relativa de ATP (e as concentrações correspondentes de ADP, Pi e AMP) modifica-
se rapidamente em resposta a redução apenas mínima no ATP. Qualquer aumento na demanda de energia rompe imediatamente
o equilíbrio entre ATP, ADP e Pi. O desequilíbrio estimula a degradação de outros compostos que contêm energia armazenada
para ressintetizar o ATP. Dessa maneira, o início do movimento muscular ativa rapidamente vários sistemas que aumentarão a
transferência de energia. O aumento da transferência de energia depende da intensidade do movimento. A transferência de
energia aumenta cerca de quatro vezes na transição da posição sentada em uma cadeira para uma caminhada lenta. Quando se
passa de uma caminhada lenta para um sprint, é acelerada quase imediatamente em cerca de 120 vezes a velocidade de
transferência de energia nos músculos ativos.
FIGURA 6.2 Interações entre catabolismo e anabolismo. A reciclagem contínua de ATP para o trabalho biológico
de síntese de macronutrientes (processos anabólicos ou endergônicos) e sua reconstrução subsequente a partir
de ADP e de um íon fosfato (Pi) por intermédio da oxidação dos macronutrientes armazenados (processos
catabólicos ou exergônicos).
FIGURA 6.3 Várias formas de produzir ATP. O corpo mantém um aporte contínuo de ATP por intermédio de vias
metabólicas diferentes: algumas estão localizadas no citosol da célula enquanto outras operam na mitocôndria. As
reações que fornecem energia celular para a geração aeróbica de ATP – o ciclo do ácido cítrico e a cadeia
respiratória (incluindo a betaoxidação) – ocorrem na mitocôndrias. (Adaptada com permissão de McArdle WD,
Katch FI, Katch VL. Sports and Exercise Nutrition, 4th Ed. Philadelphia: Wolter Kluver Health, 2013.)
Em condições normais de repouso, o corpo armazena somente 80 a 100 g de ATP em qualquer momento. Essa quantidade
torna disponível a cada segundo aproximadamente 2,4 mmol de ATP por quilograma de músculo estriado esquelético, ou cerca
de 1,44 × 1010 moléculas de ATP. Isso representa energia intramuscular armazenada suficiente para acionar vários segundos de
atividade física de alto impacto.
O ATP isoladamente não representa uma reserva significativa de energia. Isso proporciona uma vantagem, devido ao peso
relativamente alto da molécula de ATP. Uma pessoa sedentária ressintetiza diariamente ATP igual a aproximadamente 75% da
massa corporal. Para atletas de endurance, que geram 20 vezes o gasto energético de repouso em uma corrida de maratona
com duração de 2,5 h, isso corresponde a ressíntese de 80 kg de ATP durante a corrida. Para ter-se uma ideia da enorme
produção de ATP durante o período de uma vida inteira (admitindo-se um peso corporal de 80 kg e um estilo de vida
relativamente sedentário durante um período de 50 anos após os 20 anos de idade), a produção total de ATP (60 kg diários
durante 50 anos) será igual ao peso aproximado da decolagem de dois aviões Boeing 787 Dreamliner.
FOSFOCREATINA: O RESERVATÓRIO DE ENERGIA
Para superar sua limitação de armazenamento, a ressíntese de ATP prossegue ininterrupta e continuamente, a fim de suprir a
energia necessária para todo o trabalho biológico do corpo. A gordura e o glicogênio representam as principais fontes de
energia para manter a ressíntese de ATP quando este se torna necessário. Alguma energia para a ressíntese do ATP provém
também diretamente da cisão anaeróbica de um fosfato proveniente da fosfocreatina (fosfato de creatina – PCr), outro
composto fosfato intracelular de alta energia. A FIGURA 6.4 ilustra esquematicamente a liberação reversível e a utilização da
energia das ligações fosfato no ATP e na PCr. O termo fosfato de alta energia descreve esses compostos.
Especificidade de treinamento do sistema energético imediato
O treinamento físico aumenta a quantidade de fosfatos altamente energéticos musculares. O treinamento mais efetivo utiliza repetições com duração de 6 a 10 segundos
com movimentos máximos em uma atividade específica, fazendo com que a capacidade de geração rápida de energia aumente.
As moléculas de PCr e de ATP compartilham uma característica semelhante; muita energia livre é liberada quando é
clivada a ligação entre as moléculas de creatina e de fosfato da PCr. A seta bidirecional na Figura 6.4 indica uma reação
reversível. Em outras palavras, o fosfato (P) e a creatina (Cr) voltam a unir-se para formar PCr. Isso se aplica também ao
ATP: ADP mais P voltam a formar ATP. Como a PCr tem mais energia livre da hidrólise que o ATP, sua hidrólise (catalisada
pela enzima creatinoquinase – 4 a 6% na membrana mitocondrial externa, 3 a 5% no sarcômero e 90% no citosol) aciona a
fosforilação do ADP para ATP. As células armazenam aproximadamente 4 a 6 vezes mais PCr que ATP.
A fonte de energia para o exercício breve de alto impacto
Para compreender a importância dos fosfatos de alta energia intramusculares na atividade física, pense em atividades cujo êxito dependa de salvas de energia curtas e
intensas. Essas atividades incluem futebol, tênis, pentatlo, golfe, vôlei, hóquei sobre grama, beisebol, halterofilismo e corte de madeira, que frequentemente exigem
salvas de esforço máximo que duram até 8 s.
FIGURA 6.4 ATP e PCr proporcionam fontes anaeróbicas da energia das ligações fosfato. A energia liberada pela
hidrólise (divisão) de PCr reúne ADP e Pi para formar ATP. (Adaptada com permissão de McArdle WD, Katch FI,
Katch VL. Sports and Exercise Nutrition. 4th Ed. Philadelphia: Wolters Kluwer Health, 2013.)
Os aumentos transitórios do ADP na unidade contrátil do músculo durante o exercício desviam a reação catalisada
pela creatinoquinase no sentido da hidrólise de PCr e da produção de ATP (a reação superior na Figura 6.4); a reação não
necessita de oxigênio e alcança um rendimento máximo de energia em cerca de 10 s.39 Assim, a PCr funciona como um
“reservatório” de ligações fosfato de alta energia. A rapidez de fosforilação de ADP ultrapassa consideravelmente a
transferência de energia a partir do glicogênio muscular armazenado, por causa da elevada taxa de atividade da
creatinoquinase.18 Se o esforço máximo continuar por mais de 10 s, a energia para a ressíntese do ATP tem de provir do
catabolismo menos rápido dos macronutrientes armazenados. O Capítulo 23 aborda o potencial para a suplementação com
creatina exógena a fim de aprimorar o desempenho no exercício de alto impacto e curta duração.
A reação de adenilatoquinase representa outra reação mediada por uma única enzima para a regeneração do ATP. A
reação utiliza duas moléculas de ADP para produzir uma única molécula de ATP e de AMP, da seguinte maneira:
As reações catalisadas por adenilatoquinase e creatinoquinase (reação inferior na Figura 6.4) não apenas ampliam a
capacidade do músculo estriado esquelético em aumentar rapidamente a produção de energia (disponibilidade de ATP), mas
também produzem os subprodutos moleculares AMP, Pi e ADP que ativam os estágios iniciais do catabolismo do glicogênio e
da glicose e as vias de oxidação celular (respiração) da mitocôndria.
OXIDAÇÃO CELULAR
A maior parte da energia para a fosforilação deriva da oxidação (“queima biológica”) dos macronutrientes dietéticos
representados por carboidratos, lipídios e proteínas. Convém lembrar do Capítulo 5 que uma molécula é reduzida quando
aceita elétrons de um doador de elétrons. Por sua vez, a molécula que fornece o elétron é oxidada. As reações de oxidação
(aquelas que doam elétrons) e as reações de redução (aquelasque aceitam elétrons) continuam acopladas e constituem o
mecanismo bioquímico subjacente ao metabolismo energético. Esse processo proporciona continuamente átomos de
hidrogênio provenientes do catabolismo dos macronutrientes armazenados. As mitocôndrias (que constituem as “usinas
energéticas” da célula) contêm moléculas carreadoras que removem elétrons do hidrogênio (oxidação) e acabam transferindo-
os para o oxigênio (redução). A síntese de ATP ocorre durante as reações de oxidação-redução (redox).
Transporte de elétrons
A FIGURA 6.5 ilustra o esquema geral para a oxidação do hidrogênio e o transporte concomitante de elétrons para o oxigênio.
FIGURA 6.5 Esquema geral para a oxidação (remoção de elétrons) do hidrogênio e o concomitante transporte de
elétrons. Nesse processo, o oxigênio é reduzido (ganho de elétrons) e ocorre a formação de água. A energia
liberada aciona a síntese de ATP a partir do ADP.
Durante a oxidação celular, os átomos de hidrogênio não são simplesmente liberados nos líquidos intracelulares. Na
verdade, enzimas desidrogenases específicas para o substrato catalisam a liberação do hidrogênio pelo substrato nutriente. O
componente coenzima da desidrogenase (habitualmente a coenzima nicotinamida adenina dinucleotídio [NAD+] que contém
niacina) aceita pares de elétrons (energia) provenientes do hidrogênio. O substrato é oxidado e cede hidrogênios (elétrons),
porém NAD+ ganha hidrogênio e dois elétrons, sendo reduzida para NADH; o outro hidrogênio aparece como H+ no líquido
celular. A coenzima que contém riboflavina flavina adenina dinucleotídio (FAD) funciona como outro aceptor de elétrons
para oxidar os fragmentos alimentares. Assim como NAD+, FAD catalisa a desidrogenação e aceita pares de elétrons.
Diferentemente de NAD+, FAD transforma-se em FADH2 ao aceitar ambos os hidrogênios. NADH e FADH2 proporcionam
moléculas ricas em energia, pois carreiam elétrons com alto potencial de transferência de energia.
Os citocromos, uma série de carreadores de elétrons ferro-proteína dispersos nas membranas internas da mitocôndria,
passam pares de elétrons carreados por NADH e FADH2. A porção correspondente ao ferro de cada citocromo existe em seu
estado iônico oxidado (férrico, ou Fe3+) ou reduzido (ferroso, ou Fe2+). Ao aceitar um elétron, a porção férrica de um
citocromo específico sofre redução a sua forma ferrosa. Por sua vez, o ferro ferroso doa seu elétron para o próximo
citocromo, e assim sucessivamente, até o fim da linha. Nesse vai e vem entre essas duas formas de ferro, os citocromos
transferem elétrons que reduzem o oxigênio para formar água. A seguir, NAD+ e FAD são reciclados para subsequente
transferência de elétrons. A NADH gerada durante a glicólise é transformada novamente em NAD pelo “vai e vem” dos
hidrogênios a partir de NADH e através da membrana mitocondrial.
O transporte de elétrons por moléculas carreadoras específicas constitui a cadeia respiratória (ou citocromo), que é a
via final comum onde os elétrons extraídos do hidrogênio passam para o oxigênio. Para cada par de átomos de hidrogênio,
dois elétrons fluem pela cadeia e reduzem um átomo de oxigênio para formar uma molécula de água. Durante a passagem dos
elétrons ao longo da cadeia com cinco citocromos, é liberada energia suficiente para refosforilar ADP para ATP em três dos
locais. No local do último citocromo, a citocromo oxidase (citocromo aa3, com poderosa afinidade pelo oxigênio) descarrega
seu elétron diretamente para o oxigênio. A FIGURA 6.6B mostra a via para a oxidação do hidrogênio, o transporte de elétrons
e a transferência de energia na cadeia respiratória que libera energia livre em quantidades relativamente pequenas. Em várias
das transferências de elétrons, a formação de ligações fosfato de alta energia consegue conservar energia. Cada aceptor de
elétrons na cadeia respiratória tem uma afinidade progressivamente maior pelos elétrons. Em termos bioquímicos, essa
afinidade pelos elétrons representa o potencial de redução de uma substância. O oxigênio, o último receptor de elétrons na
cadeia de transporte, tem o maior potencial de redução. O oxigênio mitocondrial acaba acionando a cadeia respiratória e
outras reações catabólicas que precisam de disponibilidade contínua de NAD+ e FAD.
Fosforilação oxidativa
A fosforilação oxidativa sintetiza ATP pela transferência de elétrons de NADH e FADH2 para o oxigênio. A FIGURA 6.7
ilustra como a energia gerada nas reações de transporte de elétrons bombardeia os prótons através da membrana mitocondrial
interna para dentro do espaço intermembrana. O gradiente eletroquímico gerado por esse fluxo reverso de prótons através da
membrana interna (observe a seta apontando para o espaço intermembrana) representa a energia potencial armazenada. Isso
torna possível o mecanismo de acoplamento que une ADP e um íon fosfato para sintetizar ATP. A membrana interna da
mitocôndria continua impermeável ao ATP, então o complexo proteico ATP/ADP translocase exporta a molécula de ATP
recém-sintetizada. Por sua vez, ADP e Pi penetram na mitocôndria para a síntese subsequente de ATP. Os bioquímicos
referem-se a essa união como acoplagem quimiosmótica, que constitui o meio endergônico primário da célula para extrair e
acumular energia química nos fosfatos de alta energia. Mais de 90% da síntese do ATP ocorre na cadeia respiratória por
reações oxidativas acopladas com a fosforilação.
De certa maneira, a fosforilação oxidativa pode ser comparada a uma cachoeira dividida em várias cascatas separadas
pela intervenção de turbinas localizadas a alturas diferentes. A FIGURA 6.6A mostra as turbinas que coletam a energia da água
que cai; de maneira semelhante, a energia eletroquímica gerada durante o transporte de elétrons é represada e transferida
(acoplada) ao ADP. A transferência de energia de NADH para ADP para voltar a formar ATP acontece em três locais distintos
de acoplagem durante o transporte de elétrons (Figura 6.6B). A oxidação do hidrogênio e a subsequente fosforilação ocorrem
da seguinte maneira:
NADH + H+ + 3 ADP + 3Pi + 1/2 O2 → NAD+ + H2O + 3 ATP
FIGURA 6.6 Exemplos de represamento da energia potencial. A. Na indústria, a energia da queda d’água é
represada para rodar a roda d’água, que por sua vez realiza um trabalho mecânico. B. No corpo, a cadeia de
transporte de elétrons remove elétrons dos hidrogênios para sua transferência final ao oxigênio. Na oxidação-
redução, grande parte da energia química armazenada no átomo de hidrogênio não é dissipada em energia
cinética, mas conservada no ATP. (Reimpressa com permissão de McArdle WD, Katch FI, Katch VL. Sports and
Exercise Nutrition. 4th Ed. Philadelphia: Wolters Kluwer Health, 2013.)
A razão de ligações fosfato formadas para átomos de oxigênio consumidos (razão P/O) reflete quantitativamente a
acoplagem da produção de ATP para o transporte de elétrons. Na equação acima, observe que a razão P/O é igual a 3 para
cada NADH mais H+ oxidado. Entretanto, se originalmente FADH2 doa hidrogênio, serão formadas apenas duas moléculas de
ATP para cada par de hidrogênio oxidado (razão P/O = 2). Isso ocorre porque FADH2 penetra na cadeia respiratória com um
nível de energia mais baixo e em um ponto além do local da primeira síntese de ATP (Figura 6.6B).
Os bioquímicos ajustaram recentemente suas transposições de contabilidade no que concerne à conservação de energia na
ressíntese de uma molécula de ATP nas vias aeróbicas. A energia proporcionada pela oxidação de NADH e FADH2 é
responsável pela ressíntese de ADP para ATP, porém é necessária também uma quantidade adicional de energia (H+) para
lançar a NADH do citoplasma na célula através da membrana mitocondrial para levar H+ até o transporte de elétron. Essa
maior troca de energia decorrente do lançamento de NADH através da membrana mitocondrial reduz a produção efetiva de
ATP para o metabolismo da glicose e modifica a eficiência total da produção de ATP (ver a seção “Eficiência de transporte de
elétrons-fosforilação oxidativa”). A oxidação de uma única molécula de NADH produzem média apenas 2,5 moléculas de
ATP. Esse valor decimal para ATP não indica a formação de meia molécula de um ATP, e sim o número médio de ATP
produzido por oxidação de NADH com a energia para o transporte mitocondrial subtraída. Quando FADH2 doa hidrogênio,
será formada a seguir apenas 1,5 molécula de ATP para cada par de hidrogênio oxidado.
Eficiência do transporte de elétrons-fosforilação oxidativa
Cada mol de ATP formado a partir de ADP conserva aproximadamente 7 kcal de energia. Como 2,5 moles de ATP são
regenerados a partir de um total de 52 kcal de energia liberada para oxidar 1 mol (1 g de peso molecular) de NADH, cerca de
18 kcal (7 kcal/mol × 2,8) são conservadas como energia química. Isso representa uma eficiência relativa de 34% para
represamento da energia química via transporte de elétrons-fosforilação oxidativa (18 kcal ÷ 52 kcal × 100). Levando-se em
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conta que uma máquina a vapor transforma seu combustível em energia útil com eficiência de apenas aproximadamente 30%, o
valor de 34% ou mais para o corpo humano representa uma taxa de eficiência relativamente alta.
FIGURA 6.7 Mitocôndria: o local para o metabolismo da energia aeróbica. O transporte de elétrons gera um
gradiente de prótons (H+) através da membrana mitocondrial interna. Isso produz um fluxo efetivo de prótons que
irá proporcionar o mecanismo de acoplagem para acionar a ressíntese do ATP.
PAPEL DO OXIGÊNIO NO METABOLISMO ENERGÉTICO
Existem três pré-requisitos para a ressíntese contínua de ATP durante a fosforilação oxidativa acoplada. Satisfeitas as três
seguintes condições, o hidrogênio e os elétrons percorrerão ininterruptamente a cadeia respiratória no sentido do oxigênio
durante o metabolismo energético:
Disponibilidade do agente redutor NADH (ou FADH2) nos tecidos.
Presença do agente oxidante oxigênio nos tecidos.
Concentração suficiente de enzimas e mitocôndrias para garantir que as reações de transferência de energia possam
prosseguir na velocidade apropriada.
Durante a atividade física intensa, a inadequação do aporte de oxigênio (condição 2) ou da velocidade de utilização
(condição 3) cria um desequilíbrio entre a liberação de hidrogênio e sua oxidação final. Em ambos os casos, o fluxo de
elétrons através da cadeia respiratória “retrocede”, e os hidrogênios acumulam-se ligados a NAD+ ou FAD. Na seção “Mais
sobre o lactato”, descrevemos como o composto piruvato, um produto da degradação dos carboidratos, une-se
temporariamente ao excesso de hidrogênios (elétrons) para formar lactato. A formação de lactato torna possível a
continuidade do transporte de elétrons-fosforilação oxidativa que proporcionará energia como necessário.
Metabolismo aeróbico refere-se às reações catabólicas geradoras de energia em que o oxigênio funciona como
aceptor final de elétrons na cadeia respiratória e combina-se com o hidrogênio para formar água. Em um certo sentido, o
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termo aeróbico parece ser enganoso, pois o oxigênio não participa diretamente na síntese do ATP. Por outro lado, a presença
de oxigênio no “final da linha” determina, em grande parte, a capacidade para a produção aeróbica de ATP e a possibilidade
de manter um exercício de endurance intenso.
Resumo
A energia contida na estrutura molecular de carboidratos, gorduras e proteínas não é liberada subitamente no corpo a uma
determinada temperatura. Pelo contrário, a energia é liberada lentamente em pequenas quantidades no transcorrer de
reações complexas controladas enzimaticamente a fim de promover uma transferência e conservação de energia mais
eficientes.
Cerca de 40% da energia potencial nos nutrientes alimentares são transferidos para o composto de alta energia ATP.
A separação da ligação fosfato terminal do ATP libera energia livre que aciona todas as formas de trabalho biológico. Isso
transforma o ATP na moeda corrente da energia corporal, não obstante sua quantidade limitada de apenas cerca de 85 g.
PCr interage com ADP para formar ATP; esse reservatório não aeróbico de alta energia reabastece o ATP quase
instantaneamente.
Fosforilação refere-se à transferência de energia via ligações fosfato na forma de ADP com creatina reciclados
continuamente para ATP e PCr.
Oxidação celular ocorre no revestimento interno das membranas mitocondriais e envolve a transferência de elétrons em
NADH e FADH2 para o oxigênio.
O transporte de elétrons-fosforilação oxidativa produz a transferência acoplada de energia química para formar ATP a
partir de ADP mais um íon fosfato.
Durante a ressíntese aeróbica do ATP, o oxigênio funciona como aceptor final de elétrons na cadeia respiratória a fim de
combinar-se com o hidrogênio para formar água.
LIBERAÇÃO DE ENERGIA PELOS MACRONUTRIENTES
A liberação de energia no catabolismo dos macronutrientes tem uma finalidade essencial: fosforilar o ADP para voltar a
formar o composto rico em energia ATP. A FIGURA 6.8 esboça três amplos estágios que resultam na liberação e na
conservação de energia a ser utilizada pela célula para a realização do trabalho biológico:
Estágio 1 envolve a digestão, a absorção e a assimilação de macromoléculas alimentares grandes, transformando-as em
subunidades para serem utilizadas no metabolismo celular.
Estágio 2 degrada aminoácido, glicose, ácido graxo e glicerol no citosol (citoplasma) em acetil-coenzima A (formada na
mitocôndria) com produção limitada de ATP e de NADH.
Estágio 3 na mitocôndria, a acetil-coenzima A é degradada em CO2 e H2O com considerável produção de ATP.
As vias específicas de degradação diferem, dependendo do substrato do nutriente catabolizado. Nas seções seguintes
mostramos como ocorre a ressíntese do ATP a partir da extração da energia potencial contida nos carboidratos, nas gorduras e
nas proteínas.
A FIGURA 6.9 esboça as seis fontes de energia que fornecem substrato para formação de ATP:
Moléculas de triacilglicerol e de glicogênio armazenadas nas células musculares.
Glicose sanguínea (derivada do glicogênio hepático).
Ácidos graxos livres (derivados dos triacilgliceróis no fígado e nos adipócitos).
Arcabouços de carbono dos aminoácidos intramusculares e derivados do fígado.
Reações anaeróbicas no citosol na fase inicial da degradação da glicose ou do glicogênio (pequena quantidade de ATP).
Fosforilação do ADP pela PCr sob controle enzimático por parte de creatinoquinase e de adenilatoquinase.
LIBERAÇÃO DE ENERGIA PELOS CARBOIDRATOS
A função primária dos carboidratos é suprir energia para o trabalho celular. Nossa discussão do metabolismo da energia
proveniente dos macronutrientes começa com os carboidratos, por cinco razões:
Os carboidratos proporcionam o único substrato dos macronutrientes cuja energia armazenada gera ATP sem oxigênio
2.
3.
4.
5.
(anaerobicamente). Isso adquire importância na atividade requerendo liberação rápida de energia acima dos níveis
proporcionados pelo metabolismo aeróbico. Nesse caso, o glicogênio intramuscular fornece a maior parte da energia para
a ressíntese do ATP.
Durante a atividade física aeróbica leve a moderada, os carboidratos proporcionam um terço das demandas energéticas do
organismo.
O processamento de grandes quantidades de gordura para obtenção de energia requer catabolismo mínimo dos
carboidratos.
A degradação aeróbica dos carboidratos para obtenção de energia ocorre mais rapidamente do que a geração de energia a
partir da degradação dos ácidos graxos. Assim, a depleção das reservas de glicogênio reduz consideravelmente a
produção de potência durante o exercício. No exercício aeróbico prolongado tipo corrida de maratona, com bastante
frequência os atletas sentem fadiga relacionada com os nutrientes – um estado associado à depleção de glicogênio
muscular e hepático (ver Capítulo 3 e 23).
O sistema nervoso central necessita de um fluxo ininterrupto de carboidrato para funcionar adequadamente. O cérebro
utiliza normalmente a glicose sanguínea quase exclusivamente como fonte de energia. No diabetes melito mal controlado,
durante a inanição ou na baixa ingestãoprolongada de carboidratos, o cérebro adapta-se após cerca de 8 dias e passa a
metabolizar gordura (na forma de cetonas) como fonte de energia alternativa.
A degradação completa de um mol de glicose a dióxido de carbono e água rende um máximo de 686 kcal de energia
química livre e disponível para a realização de trabalho.
C6 H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O – ΔG 686 kcal · mol–1
FIGURA 6.8 Três amplos estágios da utilização dos macronutrientes no metabolismo energético.
FIGURA 6.9 Fontes de energia que suprem substratos para a geração do ATP. O fígado é uma rica fonte de
aminoácidos e de glicose, enquanto os adipócitos numerosas moléculas de ácidos graxos ricas em energia. Após
sua liberação, a corrente sanguínea leva esses compostos até a célula muscular. A maior parte da produção de
energia pelas células ocorre nas mitocôndrias. As proteínas mitocondriais realizam seus papéis de fosforilação
oxidativa nas paredes membranosas internas desse elegante complexo arquitetônico. As fontes intracelulares de
energia consistem nos fosfatos de alta energia ATP e PCr e nos triacilgliceróis, glicogênio e aminoácidos.
A degradação completa da glicose conserva apenas parte da energia liberada na forma de ATP. Convém lembrar que a
síntese de 1 mol de ATP a partir de ADP e de um íon fosfato requer 7,3 kcal de energia. A acoplagem de toda a energia
proveniente da oxidação da glicose para a fosforilação teoricamente poderia formar 94 moles de ATP por mol de glicose (686
kcal ÷ 7,3 kcal/mol = 94 moles). No músculo estriado esquelético, a formação de ligações fosfato conserva apenas 34% ou
233 kcal de energia, com o restante sendo dissipado na forma de calor (ver “Eficiência do transporte de elétrons-fosforilação
oxidativa). Assim sendo, a degradação de glicose gera 32 moles de ATP (233 ÷ 7,3 kcal/mol = 32 moles) com um ganho
concomitante de 233 kcal de energia livre.
Glicólise aeróbica versus anaeróbica
Existem duas formas de degradação dos carboidratos em uma série de reações de fermentação denominadas coletivamente
glicólise (“dissolução do açúcar”), ou via de Embden-Meyerhof, em homenagem aos dois químicos alemães responsáveis por
sua descoberta (Otto Meyerhof [1884-1951]; 1922 Prêmio Nobel em Fisiologia ou Medicina;
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1922/meyerhof-bio.html e Gustav Embden [1874–1933]). Em uma
forma, o lactato, formado a partir do piruvato, torna-se o produto final. Na outra forma, o piruvato continua sendo o produto
final. Com o piruvato como o substrato final, o catabolismo dos carboidratos prossegue e acopla-se para degradação adicional
no ciclo do ácido cítrico com subsequente produção de ATP pelo transporte de elétrons. Esse tipo de degradação do
carboidrato (às vezes denominado glicólise aeróbica [com oxigênio]) é um processo relativamente lento que resulta em
substancial formação de ATP. Em contrapartida, a glicólise que resulta na formação de lactato (denominada glicólise
anaeróbica [sem oxigênio]) representa uma produção rápida, porém limitada, de ATP. A formação efetiva tanto de lactato
quanto de piruvato depende mais das atividades glicolíticas e mitocondriais relativas que da presença de oxigênio molecular.
A demanda relativa de produção rápida ou lenta de ATP determina a forma de glicólise. O processo glicolítico propriamente
dito, desde o substrato inicial (glicose) até o substrato final (lactato ou piruvato), não envolve a presença de oxigênio.
Concordamos com outros autores de livros-texto de fisiologia do exercício em que glicólise rápida (anaeróbica) e lenta
(aeróbica) são os termos apropriados para descrever a glicólise.
A degradação da glicose ocorre em dois estágios. No estágio um, a glicólise é degradada rapidamente em duas moléculas
de piruvato. A transferência de energia para a fosforilação ocorre sem oxigênio (é anaeróbica). No estágio dois, o piruvato é
degradado ainda mais a dióxido de carbono e água. As transferências de energia resultantes dessas reações exigem transporte
de elétrons e fosforilação oxidativa concomitante (são aeróbicas).
Liberação anaeróbica de energia a partir da glicose: glicólise rápida
A FIGURA 6.10 ilustra o primeiro estágio da degradação da glicose na glicólise. A glicólise ocorre no meio aquoso da célula,
fora da mitocôndria. Em um certo sentido, a glicólise representa uma forma mais primitiva de transferência rápida de energia
altamente desenvolvida em anfíbios, répteis, peixes e mamíferos marinhos. Nos seres humanos, a capacidade da célula em
termos de glicólise continua sendo crucial durante as atividades físicas com um esforço máximo por até cerca de 90 s.
Na reação 1 o ATP age como doador de fosfato a fim de fosforilar a glicose 6-fosfato. Na maioria dos tecidos, isso
“aprisiona” a molécula de glicose nas células. Na presença da enzima glicogênio sintase, a glicose acopla-se, ou é
polimerizada, a outras moléculas de glicose para formar uma grande molécula de glicogênio (ver Figura 1.3). O fígado e as
células renais, entretanto, contêm a enzima fosfatase, que cliva o fosfato a partir de glicose 6-fosfato. Isso libera a glicose da
célula para ser transportada por todo o corpo. Durante o metabolismo energético, a glicose 6-fosfato é transformada em
frutose 6-fosfato (reação 2). Nesse estágio, a energia ainda não foi liberada, porém alguma energia é incorporada na molécula
original de glicose a expensas de uma molécula de ATP. Em um certo sentido, a fosforilação “prepara o corpo” para o
metabolismo energético prosseguir. A molécula de frutose 6-fosfato ganha um fosfato adicional e transforma-se em frutose 1,6-
difosfato sob o controle da fosfofrutoquinase (PFK; reação 3). O nível de atividade dessa enzima limita provavelmente a taxa
da glicólise durante a atividade com um esforço máximo. A seguir, frutose 1,6-difosfato divide-se em duas moléculas
fosforiladas com três cadeias de carbono (3-fosfogliceraldeído); estas sofrem decomposição adicional para piruvato em
cinco reações sucessivas. As fibras musculares estriadas esqueléticas de contração rápida (tipo II) (ver Capítulo 7) contêm
quantidades relativamente grandes de PFK; isso as torna perfeitamente apropriadas para a geração de energia anaeróbica
através da glicólise.
Metabolismo da glicose a glicogênio e do glicogênio a glicose
O citoplasma das células hepáticas e musculares estriadas esqueléticas contém grânulos de glicogênio e as enzimas para a
síntese do glicogênio (glicogênese) e a degradação do glicogênio (glicogenólise). Em condições normais após uma refeição, a
glicose não se acumula no sangue. Pelo contrário, o excesso de glicose é incorporado de vias do metabolismo energético, é
armazenado como glicogênio ou é transformado em gordura. Com uma alta atividade celular, a glicose disponível é oxidada
pela via glicolítica, do ciclo do ácido cítrico e da cadeia respiratória para formar ATP. Em contrapartida, uma baixa atividade
celular e/ou as reservas de glicogênio depletadas inativam enzimas glicolíticas cruciais. Isso faz com que o excesso de glicose
passe a formar glicogênio.
Glicogenólise descreve a clivagem da glicose a partir da molécula de glicogênio. A seguir o resíduo glicose reage com
um íon fosfato para produzir glicose 6-fosfato, contornando a etapa 1 da via glicolítica. Quando o glicogênio proporciona uma
molécula de glicose para a glicólise, ocorre um ganho efetivo de três ATPs em vez de dois ATPs durante a degradação da
glicose.
Regulação do metabolismo do glicogênio
No fígado, as enzimas glicogênio fosforilase tornam-se inativas após uma refeição, enquanto a atividade de glicogênio sintase
aumenta para facilitar o armazenamento da glicose obtida do alimento. Inversamente, entre as refeições, quando as reservas de
glicogênio sofrem redução, a fosforilase hepática torna-se ativa (depleção concomitante da atividade de glicogênio sintase)
para manter a estabilidade na glicose sanguínea a ser utilizada pelos tecidos corporais. O músculo estriado esquelético em
repouso mostra atividade maior da sintase, enquanto a atividade física fazaumentar a atividade da fosforilase, com redução
concomitante da enzima sintase. A epinefrina (adrenalina), um hormônio do sistema nervoso simpático, acelera a clivagem de
um componente glicose de cada vez da molécula de glicogênio pela fosforilase.7,9
A cascata de glicogenólise
A ação da epinefrina foi denominada cascata da glicogenólise, pois este hormônio induz ativação progressivamente maior da fosforilase a fim de garantir uma rápida
mobilização do glicogênio. A atividade da fosforilase permanece no nível mais alto durante o exercício intenso, quando a atividade simpática aumenta e os carboidratos
representam a fonte ideal de energia. O fluxo simpático e o subsequente catabolismo do glicogênio diminuem consideravelmente durante o exercício de intensidade baixa
a moderada, quando a oxidação mais lenta dos ácidos graxos consegue manter concentrações adequadas de ATP no músculo ativo.
FIGURA 6.10 Glicólise: uma série de 10 reações químicas controladas enzimaticamente produz duas moléculas
de piruvato a partir da degradação anaeróbica da glicose. O lactato é formado quando a oxidação de NADH não
consegue acompanhar a sua formação na glicólise. As enzimas coloridas em amarelo/púrpura desempenham um
papel regulador essencial nessas reações metabólicas. (Adaptada com permissão de McArdle WD, Katch FI,
Katch VL. Sports and Exercise Nutrition. 4th Ed. Philadelphia: Wolters Kluwer Health, 2013.)
Fosforilação ao nível do substrato na glicólise
A maior parte da energia gerada na glicólise não resulta em ressíntese de ATP, pelo contrário, é dissipada na forma de calor.
Observe que, nas reações 7 e 10 na Figura 6.10, a energia liberada pelos intermediários da glicose estimula a transferência
direta dos grupos fosfato para quatro moléculas de ADP, gerando quatro moléculas de ATP. Como duas moléculas de ATP
contribuem para a fosforilação inicial da molécula de glicose, a glicólise gera um ganho efetivo de duas moléculas de ATP.
1.
2.
3.
Isso representa uma conservação endergônica de 14,6 kcal/mol, toda ela sem a participação do oxigênio molecular. A
energia transferida do substrato para o ADP por fosforilação na glicólise rápida ocorre via ligações fosfato nas reações
anaeróbicas denominadas fosforilação ao nível do substrato. A conservação de energia durante essa forma de glicólise tem
eficiência de aproximadamente 30%.
A glicólise rápida gera apenas cerca de 5% do ATP total durante a degradação completa da molécula de glicose em
energia. Exemplos de atividades que dependem fundamentalmente do ATP gerado pela glicólise rápida incluem os piques
(sprints)no final da corrida de 1,6 km, a natação nas provas de 50 ou 100 m, os exercícios no aparelho para ginástica e os
piques (sprint)nas provas de atletismo de até 200 m.
Regulação da glicólise
Três fatores regulam a glicólise:
As concentrações das quatro enzimas glicolíticas-chave: exoquinase, fosforilase, fosfofrutoquinase e piruvatoquinase.
Os níveis do substrato frutose 1,6-difosfato.
O oxigênio, o qual, em grandes quantidades, inibe a glicólise.
Além disso, o aporte de glicose às células influencia sua utilização subsequente no metabolismo energético.
A glicose fica localizada no líquido extracelular adjacente para ser transportada através da membrana plasmática da
célula. Uma família de cinco proteínas, denominadas coletivamente transportadores facilitatórios da glicose, medeia esse
processo de difusão facilitada. As fibras musculares estriadas esqueléticas e os adipócitos contêm um transportador que
depende da insulina, conhecido como Glu T4, ou GLUT 4. Em resposta tanto à insulina quanto à atividade física
(independente da insulina), esse transportador migra das vesículas existentes na célula para a membrana plasmática.33 Sua
ação facilita o transporte da glicose para o interior do sarcoplasma, onde é então catabolizada para formar ATP. Outro
transportador da glicose, GLUT 1, é responsável pelos níveis basais de transporte da glicose para o interior do músculo.
Liberação de hidrogênio em glicólise
As reações glicolíticas retiram dois pares de átomos de hidrogênio do substrato da glicose e transferem seus elétrons para
NAD+ a fim de formar NADH (Figura 6.10, reação 6). Normalmente, se a cadeia respiratória processasse diretamente esses
elétrons, seriam formadas 2,5 moléculas de ATP para cada molécula de NADH oxidada (razão P/O = 2,5). Nas células do
coração, dos rins e do fígado, o hidrogênio extramitocondrial (NADH) aparece como NADH na mitocôndria (por um
mecanismo denominado lançadeira malato-aspartato). Isso produz 2,5 moléculas de ATP a partir da oxidação de cada
molécula de NADH. A mitocôndria no músculo esquelético e nas células cerebrais continua sendo impermeável ao NADH
formado durante a glicólise. Consequentemente, os elétrons provenientes do NADH extramitocondrial são lançados
indiretamente para dentro da mitocôndria. Essa via termina quando os elétrons passam para FAD a fim de formar FADH2 (por
um mecanismo denominado lançadeira glicerol-fosfato) em um ponto abaixo da primeira formação de ATP. Assim, é formada
1,5 e não três moléculas de ATP quando a cadeia respiratória oxida o NADH citoplasmático (razão P/O = 1,5). A partir de
duas moléculas de NADH formadas na glicólise, quatro moléculas de ATP são geradas aerobicamente pelo subsequente
transporte de elétrons-fosforilação oxidativa acoplado no músculo esquelético.
Mais sobre o lactato
Existe oxigênio suficiente circundando as células durante os níveis leves a moderados do metabolismo energético. Os
hidrogênios (elétrons) retirados do substrato e carreados pelo NADH são oxidados nas mitocôndrias para formar água quando
se unem ao oxigênio. Em um sentido bioquímico, existe um “estado estável”, ou, com maior exatidão, um “steady state”, pois
o hidrogênio é oxidado com aproximadamente a mesma velocidade com que se torna disponível.
Ácido láctico vesus lactato
Ácido láctico (C3H6O3) e o lactato não devem ser confundidos pois são substâncias distintas. O ácido láctico é formado durante a glicólise anaeróbica que rapidamente
libera o íon hidrogênio (H+). O composto remanescente se liga ao íon de sódio ou potássio com carga elétrica positiva para formar um sal ácido denominado lactato. Em
condições fisiológicas, a maior parte do ácido láctico se dissocia e se apresenta como lactato.
Na atividade física extenuante, quando as demandas energéticas ultrapassam tanto o aporte de oxigênio quanto sua taxa de
1.
2.
1.
2.
utilização, a cadeia respiratória não consegue processar todo o hidrogênio ligado ao NADH. A liberação contínua de energia
anaeróbica da glicólise depende da disponibilidade de NAD+ para oxidar 3-fosfogliceraldeído (ver reação 6, Figura 6.10);
caso contrário, o ritmo rápido da glicólise “se esgota”. Durante a glicólise anaeróbica rápida, NAD+ “é liberado” ou
regenerado quando pares de hidrogênios não oxidados “em excesso” combinam-se com o piruvato para formar lactato. A
formação de lactato requer uma etapa adicional (catalisada por lactato desidrogenase) em uma reação reversível (como
mostrado na FIGURA 6.11).
Durante o repouso e a atividade física moderada, o lactato é formado continuamente de duas maneiras:
Metabolismo energético das hemácias (não contêm mitocôndrias).
Limitações impostas pela atividade enzimática nas fibras musculares estriadas esqueléticas com alta capacidade
glicolítica.
FIGURA 6.11 Em condições fisiológicas no músculo, o lactato é formado quando hidrogênios de NADH combinam-
se temporariamente com piruvato. Isso libera NAD para aceitar outros hidrogênios gerados na glicólise.
Qualquer lactato assim formado será oxidado dessa maneira nas fibras musculares estriadas esqueléticas vizinhas com ampla
capacidade oxidativa ou nos tecidos mais distantes, como o coração e os músculos relacionados à respiração. O lactato
também funciona como um precursor indireto do glicogênio hepático. Consequentemente, o lactato não se acumula, pois seu
ritmo de remoção é igual a seu ritmo de produção. Os atletas de endurance mostram maior capacidade de eliminação (oude
renovação) do lactato durante o exercício.22
Como discutido anteriormente, existe uma via direta para a síntese hepática do glicogênio a partir dos carboidratos da
dieta. A síntese hepática do glicogênio ocorre também indiretamente pela conversão do precursor com três carbonos lactato
para glicose. Eritrócitos e adipócitos também contêm enzimas glicolíticas, porém o músculo estriado esquelético as tem em
maior quantidade. Assim, provavelmente grande parte da conversão de lactato em glicose ocorre nesse tecido. Essa via
indireta, de lactato para a síntese hepática de glicogênio (particularmente após a alimentação), é conhecida como “paradoxo
da glicose”. Abordaremos adiante neste capítulo o paradoxo da glicose como parte da lançadeira do lactato para explicar a
formação, a disposição e a utilização do lactato no metabolismo dos carboidratos.
O armazenamento temporário do hidrogênio com piruvato representa um aspecto ímpar do metabolismo energético, pois
proporciona um “coletor” de prontidão para armazenamento temporário dos produtos terminais da glicólise rápida. Depois
que o lactato é formado no músculo ele pode seguir dois caminhos diferentes:
Difundir-se para o espaço intersticial e o sangue para ser tamponado e removido do local do metabolismo energético.
Proporcionar um substrato gliconeogênico para a síntese do glicogênio.
Dessa maneira, a glicólise rápida continua fornecendo energia anaeróbica para a ressíntese do ATP. Entretanto, essa via para a
energia extra continua sendo temporária quando os níveis sanguíneo e muscular de lactato aumentam, e a formação de ATP não
consegue acompanhar seu ritmo de utilização. O resultado final – a fadiga – instala-se de imediato e reduz o desempenho nos
exercícios. Em condições anaeróbicas, a maior acidez intracelular medeia a fadiga, pela inativação de várias enzimas da
transferência de energia e pela deterioração das propriedades contráteis do músculo estriado esquelético.2,6,17,23
Lactato: uma escória metabólica valiosa. O lactato não deve ser encarado como escória metabólica – uma crença
comum chamada mitologia do ácido láctico. Pelo contrário, é uma fonte valiosa de energia química que se acumula com a
atividade física intensa.12,13 Quando oxigênio suficiente se torna disponível durante a recuperação ou quando o ritmo diminui,
NAD+ retira os hidrogênios ligados ao lactato para formar ATP por oxidação. Os arcabouços de carbono das moléculas de
piruvato são formados novamente a partir do lactato durante a atividade (uma molécula de piruvato + dois hidrogênios formam
uma molécula de lactato) ou são oxidados a energia, ou são sintetizados para glicose (gliconeogênese) no próprio músculo
estriado esquelético ou no ciclo de Cori (FIGURA 6.12). O ciclo de Cori remove o lactato liberado pelos músculos ativos e o
utiliza para reabastecer as reservas de glicogênio depletadas pela atividade física intensa.37
FIGURA 6.12 As reações bioquímicas do ciclo de Cori no fígado sintetizam glicose a partir do lactato liberado
pelos músculos ativos. Esse processo gliconeogênico ajuda a manter as reservas de carboidratos. (Adaptada
com permissão de McArdle WD, Katch FI, Katch VL. Sports and Exercise Nutrition. 4th Ed. Philadelphia: Wolters
Kluwer Health, 2013.)
Na atividade física intensa (> 80% da capacidade aeróbica) com catabolismo elevado dos carboidratos, o glicogênio nos
tecidos inativos atende às necessidades do músculo estriado esquelético ativo. A renovação (turnover) ativa do glicogênio
através do reservatório permutável do lactato progride à medida que os tecidos inativos lançam lactato na circulação. O
lactato proporciona um precursor para sintetizar carboidratos (através do ciclo de Cori no fígado e nos rins) com a finalidade
de preservar os níveis sanguíneos de glicose e de atender às demandas energéticas do exercício concomitante.3,22
Lançadeira do lactato: o lactato sanguíneo como fonte de energia. Os estudos com marcadores isotópicos
mostram que o lactato produzido nas fibras musculares de contração rápida (e em outros tecidos) circula para outras fibras de
contração rápida ou de contração lenta para ser transformado em piruvato. Por sua vez, o piruvato é transformado em acetil-
CoA e penetra no ciclo do ácido cítrico (ver seção seguinte) para o metabolismo energético aeróbico. Esse processo de
lançamento do lactato entre as células faz com que a glicogenólise que ocorre em uma célula possa suprir outras células com
fonte de energia para a oxidação. Isso torna o músculo não apenas o principal local de produção de lactato, mas também
um tecido primário para a remoção do lactato via oxidação.4,13,15
Glicólise aeróbica (lenta): ciclo do ácido cítrico
As reações anaeróbicas da glicólise liberam apenas cerca de 5% da energia existente na molécula original de glicose. A
extração da energia restante prossegue quando o piruvato é irreversivelmente transformado em acetil-CoA, que é uma forma
de ácido acético. A acetil-CoA penetra no ciclo do ácido cítrico (também denominado ciclo de Krebs em homenagem ao seu
descobridor, o químico Sir Hans Adolf Krebs, vencedor do Prêmio Nobel em 1953, ou ciclo do ácido tricarboxílico;
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1953/press.html), o segundo estágio do fracionamento dos
carboidratos. Como demonstrado esquematicamente na FIGURA 6.13, o ciclo do ácido cítrico degrada o substrato de acetil-
CoA em dióxido de carbono e átomos de hidrogênio nas mitocôndrias. As moléculas de coenzimas carreadoras reduzidas
transferem o hidrogênio para a cadeia transportadora de elétrons. O ATP é formado quando os átomos de hidrogênio são
oxidados durante o transporte de elétrons-fosforilação oxidativa.
A FIGURA 6.14 mostra o piruvato preparando-se para entrar no ciclo de dez etapas do ácido cítrico enzimaticamente
controlado pela associação com a coenzima A (A refere-se a ácido acético) para formar o composto com dois carbonos acetil-
CoA. Os dois hidrogênios liberados transferem seus elétrons para NAD+ a fim de formar uma única molécula de dióxido de
carbono, como segue:
FIGURA 6.13 Metabolismo energético aeróbico. Fase 1. Nas mitocôndrias, o ciclo do ácido cítrico gera átomos
de hidrogênio durante a degradação de acetil-CoA. Fase 2. Quantidades significativas de ATP são regeneradas
quando esses hidrogênios são oxidados pelo processo aeróbico do transporte de elétrons-fosforilação oxidativa
(cadeia de transporte de elétrons). (Adaptada com permissão de McArdle WD, Katch FI, Katch VL. Sports and
Exercise Nutrition. 4th Ed. Philadelphia: Wolters Kluwer Health, 2013.)
FIGURA 6.14 Fluxograma para a liberação de hidrogênio e de dióxido de carbono na mitocôndria durante a
degradação de uma molécula de piruvato. Todos os valores são duplicados ao computar o ganho efetivo de
hidrogênio e de dióxido de carbono, pois são formadas duas moléculas de piruvato a partir de uma molécula de
glicose na glicólise. As enzimas coloridas em roxo são as enzimas reguladoras essenciais. (Reimpressa com
permissão de McArdle WD, Katch FI, Katch VL. Sports and Exercise Nutrition. 4th Ed. Philadelphia: Wolters
Kluwer Health, 2013.)
Piruvato + NAD+ CoA → Acetil-CoA + CO2 + NADH+ + H+
1.
2.
3.
4.
5.
Radicais livres são formados durante o metabolismo aeróbico
A passagem de elétrons pela cadeia transportadora de elétrons algumas vezes produz radicais livres, que são átomos, moléculas ou íons com um elétron desemparelhado
em sua camada eletrônica mais externa, fazendo com que eles sejam altamente reativos. Esses radicais livres reativos se ligam rapidamente a outras moléculas e
promovem danos às moléculas com as quais eles se combinam. A formação de radicais livres nos músculos estriados esqueléticos, por exemplo, pode contribuir para a
fadiga muscular ou a dor e, até mesmo, para uma possível redução no potencial metabólico.
A porção acetil de acetil-CoA combina-se com oxaloacetato para formar citrato (o mesmo composto do ácido cítrico
com seis carbonos encontrado nas frutas cítricas), que a seguir prossegue através do ciclodo ácido cítrico. Esse ciclo
continua operando, pois retém a molécula oxaloacetato original para combinar-se com um novo fragmento acetil que penetra
no ciclo.
Cada molécula de acetil-CoA que penetra no ciclo do ácido cítrico libera duas moléculas de dióxido de carbono e quatro
pares de átomos de hidrogênio. Uma molécula de ATP é regenerada também diretamente por fosforilação ao nível do substrato
pelas reações do ciclo do ácido cítrico (reações 7-8, Figura 6.14). Como resumido na parte inferior da Figura 6.14, a
formação de duas moléculas de acetil-CoA a partir de duas moléculas de piruvato produzidas na glicólise libera quatro
hidrogênios, enquanto o ciclo do ácido cítrico libera 16 hidrogênios. A função primária do ciclo do ácido cítrico gera
elétrons (H1) que serão transferidos na cadeia respiratória para NAD+ e FAD.
O oxigênio não participa diretamente nas reações do ciclo do ácido cítrico. A energia química existente no piruvato é
transferida para o ADP pelo processo de transporte de elétrons-fosforilação oxidativa. Com uma quantidade suficiente de
oxigênio, incluindo enzimas e substrato, NAD+ e FAD se regeneram, e o metabolismo do ciclo do ácido cítrico prossegue sem
qualquer dificuldade. O ciclo do ácido cítrico, o transporte de elétrons e a fosforilação oxidativa representam os três
componentes do metabolismo aeróbico.
Transferência total de energia pelo catabolismo da glicose
A FIGURA 6.15 resume as vias para a transferência de energia durante o catabolismo da glicose no músculo estriado
esquelético. Dois ATP (ganho efetivo) são formados pela fosforilação ao nível do substrato na glicólise; de maneira
semelhante, dois ATP emergem da degradação de acetil-CoA no ciclo do ácido cítrico. Os 24 átomos de hidrogênio liberados
podem ser assim explicados:
Quatro hidrogênios extramitocondriais (dois NADH) gerados na glicólise produzem cinco ATP durante a fosforilação
oxidativa.
Quatro hidrogênios (dois NADH) liberados na mitocôndria quando o piruvato é degrado para acetil-CoA produzem cinco
ATP.
Os trifosfatos de guanosina (GTP; uma molécula semelhante ao ATP) são produzidos no ciclo do ácido cítrico por meio da
fosforilação ao nível do substrato.
Doze dos 16 hidrogênios (6 NADH) liberados no ciclo do ácido cítrico produzem 15 ATP (6 NADH × 2,5 ATP por
NADH = 15 ATP).
Quatro hidrogênios que se unem ao FAD (dois FADH2) no ciclo do ácido cítrico produzem três ATP.
O fracionamento completo da glicose produz um total de 34 ATP. Levando-se em conta que dois ATP são fosforilados
inicialmente para glicose, 32 moléculas de ATP representam a produção efetiva de ATP a partir do catabolismo da glicose
no músculo esquelético. Quatro moléculas de ATP são formadas diretamente pela fosforilação ao nível do substrato (glicólise
e ciclo do ácido cítrico), enquanto 28 moléculas de ATP são geradas durante a fosforilação oxidativa.
Alguns compêndios citam uma produção efetiva de 36 a 38 ATP a partir do catabolismo da glicose. A disparidade
depende de qual é o sistema de lançamento (glicerol-fosfato ou malato-aspartato) que transporta NADH + H+ para dentro da
mitocôndria e da produção de ATP por oxidação de H utilizada nos cálculos. Convém ajustar os valores teóricos para a
produção de ATP no metabolismo energético, em vista da informação bioquímica sugerindo que pode estar havendo uma
superestimativa, pois somente 30 a 32 ATP penetram realmente no citoplasma da célula. A diferenciação entre produção
teórica versus real de ATP pode resultar do custo energético adicional a ser pago para transportar o ATP para fora da
mitocôndria.10
O que regula o metabolismo energético?
Normalmente a transferência de elétrons e a subsequente liberação de energia estão acopladas intimamente com a fosforilação
do ADP. Sem disponibilidade de ADP a ser fosforilado para ATP, em geral os elétrons não percorrem a cadeia respiratória
para se unirem ao oxigênio. Os metabólitos que inibem ou ativam as enzimas em pontos essenciais de controle nas vias
oxidativas modulam o controle regulador da glicólise e do ciclo do ácido cítrico.14,16,28,31 Cada via contém pelo menos uma
enzima considerada limitante da velocidade, pois a enzima controla a velocidade global das reações dessa via. A
concentração celular de ADP exerce o maior efeito sobre as enzimas limitantes da velocidade que controlam o
metabolismo energético dos macronutrientes. Esse mecanismo para o controle respiratório faz sentido, pois qualquer
aumento na quantidade de ADP assinala a necessidade de fornecer energia para restaurar os níveis deprimidos de ATP.
Inversamente, os altos níveis celulares de ATP indicam uma necessidade de energia relativamente baixa. De uma perspectiva
mais ampla, as concentrações de ADP funcionam como um mecanismo de feedback (retroalimentação) celular destinado a
manter uma constância relativa (homeostasia) no nível de moeda corrente energética exigido para a realização do trabalho
biológico. Outros moduladores que limitam a velocidade incluem os níveis celulares de fosfato, o AMP cíclico, a
proteinoquinase ativada por AMP (AMPK), o cálcio, NAD+, o citrato e o pH. Mais especificamente, ATP e NADH funcionam
como inibidores enzimáticos, enquanto o cálcio intracelular, ADP e NAD+ funcionam como ativadores. Esse feedback químico
torna possível o ajuste metabólico rápido para as necessidades energéticas das células. Na célula em repouso, a concentração
de ATP ultrapassa consideravelmente a concentração de ADP em aproximadamente 500:1. Uma queda na razão ATP/ADP e na
razão NADH/NAD+ intramitocondrial, como ocorre com o início do exercício, assinala a necessidade de um maior
metabolismo dos nutrientes armazenados. Em contrapartida, os níveis relativamente baixos de metabolismo energético mantêm
as altas razões de ATP/ADP e de NADH/NAD+, o que deprime o ritmo do metabolismo energético.1
1.
2.
FIGURA 6.15 Rendimento efetivo de 32 ATP pela transferência de energia durante a oxidação completa de uma
molécula de glicose na glicólise, no ciclo do ácido cítrico e no transporte de elétrons. (Adaptada com permissão
de McArdle WD, Katch FI, Katch VL. Sports and Exercise Nutrition. 4th Ed. Philadelphia: Wolters Kluwer Health,
2013.)
Efeitos independentes. Nenhum regulador químico isolado domina a produção mitocondrial de ATP. Experiências in vitro
(ambiente artificial fora do organismo vivo) e in vivo (no organismo vivo) mostram que as mudanças em cada um desses
compostos alteram independentemente a velocidade da fosforilação oxidativa. Todos eles exercem efeitos reguladores, cada
um contribuindo de maneira diferente em conformidade com as demandas energéticas, as condições celulares e o tecido
específico envolvido.
LIBERAÇÃO DE ENERGIA PELAS GORDURAS
A gordura armazenada representa a mais abundante fonte corporal de energia potencial. Em relação aos carboidratos e às
proteínas, a gordura armazenada proporciona uma quantidade quase ilimitada de energia. As reservas de energia
provenientes das gorduras em um homem adulto jovem típico provêm de duas fontes principais:
Entre 60.000 e 100.000 kcal (energia suficiente para acionar cerca de 25 a 40 corridas de maratona) dos triacilgliceróis
existentes nas células adiposas (adipócitos) estão distribuídas pelo corpo (ver Capítulo 28).
Cerca de 3.000 kcal dos triacilgliceróis intramusculares (12 mmol/kg de músculo).
Em contrapartida, as reservas energéticas de carboidratos em geral correspondem a menos de 2.000 kcal.