Transferência de energia no corpo

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Fisiologia do Exercício
Aula 2: Transferência de energia no corpo
Apresentação
Nesta aula, conheceremos as principais fontes de energia do corpo humano. Conheceremos também as vias bioenergéticas responsáveis por manter a demanda energética durante a prática de exercícios físicos, que podem variar em função da duração e da intensidade da prática.
Independentemente da maneira como você se encontre no dia a dia, seja em estado de repouso ou em uma atividade física extenuante, o organismo humano necessita, constantemente, de energia para satisfazer as necessidades metabólicas e manter o movimento corporal.
No planeta Terra, existem seis tipos de energia disponíveis: elétrica, nuclear, luminosa, química, térmica e mecânica. No entanto, o que precisamos entender é como ocorre o processo de conversão desses tipos de energia. Por exemplo, um automóvel necessita de combustível (energia química), pois, a partir dele, ocorrerá o processo de combustão (energia térmica), que, por sua vez, acarretará o deslocamento do automóvel (energia mecânica).
No organismo humano, veremos que o processo de conversão de energia precisa ser mediado por milhares de enzimas. Tal processo é chamado de bioenergética ou metabolismo energético, e todas as reações nele envolvidas ocorrem no sentido de produzir quantidades satisfatórias de trifosfato de adenosina (ATP), que, por sua vez, podem ou não necessitar de quantidades suficientes de oxigênio (O2). Todos esses pontos serão tratados nesta aula.
Objetivos
· Descrever o processo de transferência de energia no corpo humano;
· Explicar o papel das enzimas no processo de transferência de energia.
· Reconhecer os fatores intervenientes da atividade enzimática e do metabolismo.
O que é metabolismo?
Ao longo do dia, milhares de reações químicas ocorrem no nosso corpo coletivamente. O conjunto de todas essas reações químicas é chamado de metabolismo.
De modo mais específico...
O metabolismo é o conjunto de reações químicas que ocorre nas células (inclusive aquelas reações responsáveis pela geração de moléculas de ATP) para manter a homeostase corporal.
As reações químicas dependem de enzimas que podem promover tanto a síntese e quanto a degradação de moléculas.
1.Quando ocorre a síntese de moléculas, dizemos que houve uma reação anabólica.
2.Quando ocorre a degradação, dizemos que houve uma reação catabólica.
A oferta de energia para os tecidos precisa estar em equilíbrio com as necessidades energéticas por eles requeridas. Sendo assim, a energia armazenada nos alimentos precisa ser convertida em energia útil (sob a forma de ATP), caso contrário, não seria possível estabelecer a homeostase energética para a sobrevivência celular.
O processo é o seguinte:
Por esse motivo, segundo Powers e Howley (2017), quando realizamos uma atividade física, não é a energia que acabamos de ingerir que será disponibilizada para contração muscular. Na verdade, as células possuem diversas vias energéticas que atuarão nos substratos armazenados (nos tecidos) para que, a partir daí, a formação de ATP ocorra e provenha a sustentação do esforço.
Como ocorre o processo de conversão de energia biológica?
Na Terra, toda energia disponível é oriunda do Sol. As plantas usam a energia luminosa desse astro para realização de um processo denominado fotossíntese, que consiste na utilização de energia solar para converter átomos presentes no ambiente (sob a forma de O2, H2O e CO2) em uma forma de energia que pode ser adquirida pelo organismo humano. Sendo assim, a energia solar associada às moléculas presentes no ambiente pode ser convertida em substratos energéticos que são por nós consumidos diariamente, como podemos observar no esquema a seguir.
Figura 1. Processo de conversão de energia no ambiente e sua disponibilidade para o organismo.
Fonte: Adaptado de Silverthorn (2010).
Atuação das Leis da Termodinâmica
A compreensão da atuação das Leis da Termodinâmica é essencial para o aprendizado da bioenergética.
Vamos ver um exemplo?
Exemplo
Para que ocorra a síntese de uma molécula de glicose (monossacarídeo), as plantas precisam utilizar a energia solar para integrar seis moléculas de água (6H2O) e seis moléculas de dióxido de carbono (6CO2).
Uma molécula de glicose pode ser sintetizada a partir da seguinte reação:
6CO2 + 6H2O -> C6H12O6 (glicose) + 6O22
Como podemos observar, não há criação ou perda de átomos (carbono, hidrogênio e oxigênio) durante esse processo, mas sim a conversão de uma forma em outra.
A constatação que tivemos nos leva à Primeira Lei da Termodinâmica, segundo a qual, a energia não pode ser criada nem destruída.
Todos os átomos necessários para síntese de uma molécula estão presentes no ambiente, e a energia é formada da partir da disponibilidade desses átomos (carbono, hidrogênio, oxigênio e nitrogênio). A conversão dessa energia sempre dependerá de energia livre (no caso do ambiente, a energia luminosa capturada pela fotossíntese), que acarretará a formação das macromoléculas (carboidratos, lipídeos e proteínas).
De acordo com Brooks, Fahey e White (2004), as macromoléculas são degradadas para liberação de energia útil quimicamente (ATP). No entanto, em seguida, são novamente convertidas para formação de água (H2O) e dióxido de carbono (CO2), como podemos observar a seguir.
C6H12O6 (glicose) + 6O6 -> 6 CO2 + 6 H2O + 30 ATPs + calor
Além disso, quando as macromoléculas são degradadas para produzir ATP, parte da sua energia potencial é liberada em forma de energia não utilizável (esse desperdício é para aumentar a temperatura corporal), o que pode ser explicado com base na Segunda Lei da Termodinâmica: o processo de conversão de energia é ligeiramente ineficiente, pois parte da energia é liberada sob a forma de calor.
Pensemos, por exemplo, no processo de oxidação de uma molécula de glicose. Conforme afirmam McArdle, Katch e Katch (2016), a energia potencial total de uma molécula de glicose promove a liberação de 686 kcal. Paralelamente, a oxidação dessa mesma molécula acarreta a formação de 30 ATPs, que serão disponibilizados para os processos celulares demandantes de energia.
À medida que cada molécula de ATP é hidrolisada, ocorre a liberação de 7,3 kcal/mol-1. Isso significa que, das 686 kcal totais da glicose, apenas 219 kcal (32%) serão responsáveis pela produção de energia mecânica (contração muscular), enquanto 467 Kcal (68%) serão desperdiçadas sob a forma de calor.
Como ocorrem as reações químicas celulares?
O processo de conversão de energia ocorre por diversas vias metabólicas, mas basicamente por:
1. Vias Anaeróbias
2. Vias Aeróbias
Nas próximas aulas, veremos essas vias metabólicas com mais detalhes. Por hora, é importante sabermos que, cada uma delas, independentemente da sua complexidade, é regulada por uma enzima específica.
As enzimas são consideradas substâncias orgânicas de natureza proteica que desempenham funções diferentes de acordo com a sua classificação, como veremos mais adiante.
As enzimas são muito importantes para a sobrevivência celular e são extremamente sensíveis a vários fatores, como temperatura, pH, hormônios e produtos do metabolismo, sejam elas intra ou extracelulares.
A função primordial das enzimas é promover a redução da energia de ativação de uma reação.
Em outras palavras...
As enzimas aceleram as reações químicas, tornando uma resposta metabólica rápida e eficiente.
Na figura a seguir, podemos observar um exemplo de como as enzimas atuam.
Figura 2. Atuação das enzimas.
Sem a presença das enzimas, a degradação de uma molécula de glicose, que, normalmente, ocorre em poucos minutos, poderia levar muitas horas ou até mesmo dias.
Tipos de reação enzimática
Para realizar o controle do metabolismo, as enzimas podem atuar realizando dois tipos de reação, são elas:
Reações endergônicas Para realizar o controle do metabolismo, as enzimas podem atuar realizando dois tipos de reação, são elas:
Reações exergônicas Ocorrem quando as enzimas promovem a liberação de energia das moléculas.
Como sabemos, o organismo humano é extremamente complexo e, por isso, aocorrência de uma reação endergônica pode levar à ativação de uma reação exergônica, o que ocorre grande parte das vezes, segundo Brooks, Fahey e White (2004). Esse fenômeno é chamado de reação acoplada.
Na figura a seguir, é apresentado um modelo de engrenagens para que possamos melhor entender como esse processo ocorre.
Figura 3. Acoplamento de reações exergônicas e endergônicas.
Fonte: Adaptado de Powers e Howley (2017).
Nesse modelo, a engrenagem da esquerda está liberando energia a partir de um reagente (substrato), ou seja, essa engrenagem está desempenhando uma reação exergônica. Note que essa engrenagem é responsável por liberar energia para ativar uma segunda engrenagem, onde a energia está sendo adicionada (reação endergônica).
Percebeu como uma reação é dependente da outra?
É por isso que as chamamos de acopladas.
Reações acopladas podem ser observadas, por exemplo, em reações de oxidação-redução. Nesse caso, a remoção de um elétron é denominada oxidação, enquanto a adição de um elétron é chamada de redução.
Na figura a seguir, observamos a atividade da nicotinamida adenina dinucleotídeo (NAD+). À esquerda, observamos a NAD+ na sua forma oxidada (sem a presença de elétrons). Quando a NAD+ remove o elétron, promovendo a conversão da molécula, fica em seu estado reduzido (sob a forma de NADH).
Figura 4. Reação de oxidação-redução – exemplo.
Fonte: Adaptado de Powers e Howley (2017).
Note que, ao reagir com dois átomos de hidrogênio, a NAD6+/sub> se liga a um deles e aceita o elétron do outro. Na estrutura da NADH, isso é representado pelos dois pontos sobre o nitrogênio (N)
Classificação das enzimas
As enzimas são classificadas em função da sua forma de atuação no metabolismo. O órgão responsável por essa classificação é a Comissão de Enzimas da União Internacional de Bioquímica e Biologia Molecular.
Segundo esse órgão, as enzimas são classificadas da seguinte forma:
Quinases Enzimas responsáveis pela adição de grupamentos fosfatos nas moléculas.
Desidrogenases Enzimas responsáveis por promover a remoção de hidrogênio das macromoléculas.
Oxidases Enzimas responsáveis por fazer com que os elétrons se associem às moléculas de oxigênio. São aceptoras de elétrons para formar H2O ou peróxido de hidrogênio (H2O2).
Fatores que interferem na atividade enzimática
A atividade enzimática é mensurada pela velocidade com que a enzima atua no seu substrato, resultando na formação de produtos metabólicos1.
Vários fatores são responsáveis por promover alterações na atividade das enzimas. No entanto, quando se trata da regulação da atividade enzimática, os fatores mais importantes são a temperatura e o pH dos líquidos corporais.
As enzimas exibem uma relação homeostática ideal de temperatura e pH para que a sua máxima função seja alcançada. Pequenas variações de temperatura e pH causam alterações devastadoras na atividade das enzimas. Por esse motivo, nossos mecanismos de controle da homeostase mantêm a temperatura corporal em faixas estreitas de 37o C e o pH sanguíneo na faixa de normalidade de 7,4.
Considerando que, durante o esforço físico, ocorre a liberação e a secreção de vários hormônios responsáveis pelo aumento das reações químicas, alterações na temperatura e no pH têm um impacto importante no aumento da taxa metabólica2.
Vejamos, com mais detalhes, a atuação de cada um desses fatores:
A) Temperatura:
A aceleração do metabolismo resulta na elevação da temperatura corporal, fenômeno que irá exigir cada vez mais das vias energéticas para promover a formação de quantidades adequadas de ATP. Os substratos são então rapidamente catalisados em seus respectivos produtos, o que leva à formação de resíduos do metabolismo que acidificam o meio. Esse cenário pode comprometer, seriamente, o funcionamento normal do metabolismo, levando à fadiga orgânica.
Na figura a seguir, podemos observar que a atividade máxima de uma enzima pode variar entre 37o C e 40o C, como normalmente acontece quando praticamos atividades físicas. No entanto, quando realizamos exercícios intensos em ambientes quentes e muito úmidos, a temperatura corporal central (interna) ultrapassa esses valores, o que, de acordo com Powers e Howley (2017), leva à redução da atividade enzimática e da eficiência metabólica.
Figura 5. Efeito da temperatura corporal na atividade enzimática.
Fonte: Powers e Howley (2017).
B) pH:
O pH dos líquidos corporais influencia, de modo importante, a atividade das enzimas. Assim como a temperatura, o pH corporal precisa ser mantido em uma faixa estreita de normalidade. Quando sofre alguma alteração em relação a essa faixa de normalidade, a atividade enzimática é reduzida significativamente, como podemos observar na figura a seguir.
Figura 6. Resposta da atividade enzimática em função de variações no pH.
Fonte: Powers e Howley (2017).
O aumento do pH é chamado de alcalose. Já a sua diminuição é chamada de acidose. Ambas provocam a diminuição da atividade enzimática.
Mas, para o corpo humano, qual é a implicação da diminuição da atividade enzimática durante o esforço físico? Por exemplo, durante um exercício intenso, os músculos esqueléticos podem produzir grandes quantidades de íons hidrogênio. O acúmulo desses íons provoca a queda do pH dos líquidos corporais para valores menores que o da faixa de normalidade (7,4). A diminuição do pH (acidose) reduz então a atividade das enzimas e, com isso, há uma significativa diminuição na sua capacidade de fornecer a energia (ATP) necessária à contração muscular.