Metabolismo energético dos carboidratos, lipídeos e proteínas

Prévia do material em texto

1 METABOLISMO ENERGÉTICO DOS CARBOIDRATOS, DAS PROTÉINAS E DOS LIPÍDEOS
Dentre os diversos nutrientes utilizados para obtenção de energia podem ser citados os carboidratos (glicose), os lipídeos, proteínas, glicerol, acetato, etanol. O metabolismo desses nutrientes é realizado a partir da ação de enzimas. As bactérias não conseguem realizar esse tipo de metabolismo visto que não possuem mitocôndrias, que realizam a oxidação das substâncias. A célula é responsável por manter os níveis de ATP adequados para seu funcionamento, assim como o organismo como um todo tem que ser capaz de produzir glicose, mesmo em situações de ausência dessa, como em jejum. Isso é possível porque nosso corpo é capaz de criar reservatórios na forma de glicogênio, como no músculo e no fígado, porém, essa reserva não é abundante.
Glicólise
A glicose pode ser derivada do amido, que é um polímero de glicose, degradado pela amilase; pode vir do glicogênio, que é transformado em glicose nos músculos e nos hepatócitos; pode vir da sacarose, um dímero glicose-frutose, cuja frutose depois é convertida em glicose; e pode vir da celulose, um polímero de glicose que nosso organismo não consegue digerir pela ausência de enzimas específicas, sendo assim eliminada, como uma fibra longa. O metabolismo da glicose ocorre com a glicose que estava no meio entrando no citosol por transportadores de membrana, os GLUT, que faz a glicose tanto entrar quanto sair da célula. Para que ela não saia e seja utilizada no metabolismo energético, ela é fosforilada (ganha um fosfato), transformando-se em glicose-6P, com gasto de 1 ATP (ATP → ADP). Isso é realizado por uma enzima que é uma quinase, responsável por fosforilar substâncias, a hexoquinase. A fosfoglicoisomerase promove uma isomerização da molécula de glicose-6P transformando-a em frutose-6P, mantendo-se como um açúcar de 6 carbonos e 1 fosfato. Esse processo de isomerização é importante para o metabolismo da própria frutose, que quando ingerida entra direto nessa etapa de metabolização. Essa frutose-6P sofre ação da fosfofrutoquinase, virando frutose-1,6 Bi P, gastando 1 ATP (ATP → ADP). A partir desse momento começa a digestão do substrato, pela ação da aldolase, formando dois compostos: dihidroxicetona-P e gliceraldeído-3P. Esses compostos são capazes de se auto converter, sendo que o que mais ocorre é a conversão de dihidroxicetona-P em gliceraldeído-3P. portanto, passamos a considerar que foram formadas duas moléculas de gliceraldeído-3P e que a partir de agora tudo será dobrado. As moléculas de gliceraldeído-3P se transformarão em duas moléculas de 1,3-Bifosfoglicerato através da G3P desidrogenase, que tira hidrogênio do substrato, colocando nos NADs, formando 2 NADH2 (NAD+ → NADH2). A fosfogliceratoquinase age no 1,3-Bifosfoglicerato formando o 3-fosfoglicerato, pegando um fosfato e gerando ATP (2). O 3-fosfoglicerato sofre ação da mutase, que troca o fosfato de posição, formando o 2-fosfoglicerato, mais energético. Depois, vai sofrer ação da enolase e vai gerar o fosfoenolpiruvato (PEP). O fosfoenolpiruvato é convertido pela piruvato quinase em piruvato, formando ATP (2).
Da conversão de glicose à piruvato, gastou-se 2 ATPs, formou-se 4 ATPs e 2 NADH2. Sendo assim, o saldo foi de 2 ATPs e 2 NADH2.
Obs.: as bactérias só fazem esse tipo de metabolismo da glicose, tendo esse mesmo saldo final, assim como leveduras na ausência de oxigênio.
O piruvato presente no citosol precisa entrar na mitocôndria e para isso precisa sofrer ação de um complexo enzimático presente na parede mitocondrial, que é a piruvato desidrogenase, que precisa estar ativa. Na ausência de carboidratos, ele fica inativo. Esse complexo produz NADH2 e sofre descarboxilação, formando a acetilCoA (2C). A coenzima A é derivada da vitamina B5. A acetilCoA é um integrador do metabolismo, sendo capaz de digerir muitos substratos. Assim, ela entra no ciclo de Krebs (dentro da mitocôndria), continuando a descarboxilação. A acetilCoA se liga ao oxalacetato (4C), formando o citrato (6C). O citrato sofre isomerização virando isocitrato, que sofre descarboxilação e forma o α cetoglutarato (5C), perdendo CO2 e formando NADH2. Depois ocorre mais perda de gás carbônico, virando a succinil-CoA, gastando o NADH2. Depois disso, não perde mais CO2 e é necessário voltar para o oxalacetato para se ligar novamente a acetilCoA (reconstrução de substrato). A succinil-CoA vira succinato, transforma GDP em GTP. Do succinato para fumarato ocorre o gasto de FAD+, formando FADH2, que vem da vitamina B1. De fumarato para malato ocorre adição de água e do malato para o oxalacetato forma mais NADH2.
O saldo total do processo, incluindo desde a glicose até a ocorrência de um ciclo de Krebs é de: 2 ATPs, 10 NADH2, 2 FADH2 e 2 GTPs. 
Os NADH2 e os FADH2 precisam ser reoxidados e isso ocorre na cadeia de transporte de elétrons. Na membrana da mitocôndria existem complexos enzimáticos da cadeia respiratória, que pegam os hidrogênios do NADH2 (prótons). Essas enzimas possuem um papel de oxirredução crescente e se o elétron entra, ele vai passando com o aumento da afinidade com cada enzima, até que chegue no complexo ATPsintase. Nele, o oxigênio passa e é reduzido pelos hidrogênios, produzindo H2O. Enquanto isso acontece, o complexo vai produzindo ATP a cada vez que reduz um oxigênio. Nessa etapa, 1 NADH2 gera energia suficiente para a produção de 3 ATPs, 1 FADH2 forma 2 ATPs (é menos energético porque entra uma enzima no caminho).
Ou seja, os 10 NADH2 formados vão gerar 30 ATPs e os 2 FADH2 formarão 4 ATPs. Além disso, unem-se a eles os 2 ATPs do ciclo de Krebs, os 2 GTPs, dando um total de 38 ATPs formados no metabolismo da glicose.
A célula terá que saber quando metabolizar mais e quando metabolizar menos. Para isso, ela precisa métodos para sinalizar a necessidade e a demanda de glicose. Se tem muita glicose, ela faz todo o processo até ter a quantidade adequada de ATP. Depois disso, começa a armazenar glicose. A lipogênese ocorre com um excesso de glicose. Comemos de 3 em 3 horas para não termos muita glicose e não ocorrer a formação de reservas de gordura. A célula não consegue produzir glicose a partir de gordura, mas consegue a partir de proteínas. Quebrando-as, nem sempre gera energia suficiente para abastecer o sistema nervoso. O cérebro consegue energia a partir de corpos cetônicos vindos da gordura, mas apenas 30%. Por isso a pessoa emagrece rápido na dieta de jejum intermitente.
O glicogênio e o amido formam cristais insolúveis em água. Para a célula conseguir armazenar, eles não podem formar cristais. Assim, o glicogênio atrai a água (1g de glicogênio atrai 3g de água) e com isso ele vira um gel. Nas dietas de baixo teor de carboidratos ou em jejuns prolongados, ocorre a quebra dos reservatórios de glicose em forma de glicogênio e consequentemente ocorre a perda de água, o que dá a sensação “falsa” de perda de peso, visto que perdeu glicogênio mas desidratou. Quando a pessoa volta a ingestão normal de carboidratos, ela refaz todo seu estoque de glicogênio e ganha de novo a água que perdeu, “engordando” de novo, o efeito rebote.
O fígado, os músculos têm capacidade de armazenar energia na forma de glicogênio e gordura (adipócitos recebem gordura também). Eles fazem isso por dois motivos: excesso de nutrientes, que a célula não consegue metabolizar rápido, aí vem a insulina, que tem papel de jogar a glicose para dentro das células, que vai gerar energia e um aparte vai virar moléculas de reserva. As moléculas de glicogênio diminuem rapidamente, a reserva é muito pequena. Em uma situação em que um indivíduo não está ingerindo carboidratos ou em um jejum muito prolongado (apesar de acontecer em menor quantidade a todo instante), ocorre a gliconeogênese principalmente no fígado. Se essa situação estiver muito exacerbada, os rins e os músculos também começam a atuar para tentar suprir a falta de glicose. Nós não somos capazes de converter gordura em glicose, por isso, precisamos da gliconeogênese para interconversão de nutrientes.
Gliconeogênese
O piruvatoentra na mitocôndria pelo complexo piruvato desidrogenase, que transforma o piruvato em acetilCoA e ocorre o ciclo de Krebs. Após gastar a reserva de glicogênio ou essa reserva estiver acabando (ou usando alguma droga que faz ativar essa via, como alguns corticoides), os hepatócitos ficam sem glicose, a glicemia reduz, fazendo com que o pâncreas diminua a secreção de insulina e aumente a de glucagon. Quando o glucagon se liga no seu receptor no fígado, uma das coisas que acontece é a ativação da gliconeogênese. Essa ativação ocorre com algumas ações: a primeira coisa que acontece é a inibição da piruvato desidrogenase, não o deixando entrar na mitocôndria, porque precisa parar o metabolismo de glicose (glicólise); também ocorre a inativação da piruvato quinase: para de produzir piruvato porque não transforma o PEP e se algum piruvato for produzido, ele não consegue entrar na célula. É por isso que o glucagon desliga as enzimas, ou funcionando em baixas velocidades. 
Todo o objetivo da gliconeogênese é fazer todo o metabolismo ocorrer ao contrário, no sentido de produção de glicose, virando o equilíbrio para o lado oposto. O piruvato precisa continuar sendo produzido porque é ele que vai fazer a reação ser ao contrário, mas ele não consegue ser produzido a partir do PEP porque o PEP vem da glicose, que não está disponível. Então, nessa hora o fígado, os músculos e qualquer lugar que tem proteínas começam a quebrar essas proteínas em aminoácidos, como por exemplo a alanina (quebrando massa magra). A alanina passa a produzir piruvato (mas não produzia antes porque não tinha o glucagon, e o glucagon é responsável por ativar a enzima que converte alanina em piruvato). Os aminoácidos que estão vindo desses locais vão começar a produzir o piruvato. O piruvato não consegue entrar na mitocôndria e nem se torna PEP, fazendo um acúmulo de piruvato na célula. Uma outra maneira de produzi-lo é por meio de lactato, produzido pelo músculo na falta de oxigênio, que é um ácido que em condições elevadas pode levar a uma acidose metabólica. Esse piruvato se acumula cada vez mais porque não consegue entrar na mitocôndria. Isso faz com que outra proteína comece a colocar ele dentro da célula pela ativação de uma enzima que é a piruvato carboxilase, que transforma o piruvato em oxalacetato, que tem tendência de continuar o ciclo de Krebs. Só que a enzima que junta acetilCoA com oxalacetato e a que converte isocitrato em α cetoglutarato estão inativadas pelo glucagon, o que faz com que o ciclo não ande para frente, as reações ficam desativadas. Isso faz acumular oxalacetato na mitocôndria. 
A única solução que o oxalacetato tem é produzindo o malato. O malato acumula na mitocôndria, que tem uma condição na sua membrana que faz com que em situações de acúmulo de malato ele saia da mitocôndria e vá para o citosol (é expulso da mitocôndria, sai por gradiente de concentração). A presença de malato citosólico é o marcador de existência de gliconeogênese. No citosol, o malato vai se converter novamente em oxalacetato, que possui estrutura química similar ao PEP, sendo convertido em PEP. Quando se transforma em PEP, ele não vira piruvato porque a piruvato quinase está desativada. Com isso, ele começa a se acumular, desviando todo o metabolismo em direção da produção de glicose-6P. Ou seja, a presença de malato citosólico gera oxalacetato que é convertido em PEP. O acúmulo de PEP desloca as reações da glicólise no sentido da formação de glicose-6P.
A glicose-6P não sai mais da célula por estar fosforilada. Essa glicose-6P tem que sair da célula, então ela precisa perder o fosfato. O que ocorre é que no retículo endoplasmático rugoso tem uma maquinaria (complexo enzimático – GLUT especial) capaz de retirar o fosfato da glicose-6P, fazendo ela se tornar glicose e jogando-a para fora da célula, indo para o sangue, abastecendo o organismo na falta de glicose. Na falta de glicose, quem produziu a glicose foi a alanina (proteínas) e o lactato.
Além das proteínas e do lactato, existe uma terceira via para produção de glicose, que é o glicerol. Uma gordura é um ácido carboxílico de cadeia muito longa (ácido graxo). Um glicerol consegue se ligar a três moléculas de ácidos graxos, formando o triacilglicerol (TAG ou triglicerídeo). Os triglicerídeos são armazenados. Quando estamos em situação de jejum e etc, essa gordura também começa a ser mobilizada, sofrendo hidrólise na ausência da glicose, o que faz o ácido graxo se desligar do glicerol. O ácido graxo não é convertido em glicose, mas o glicerol é, sendo quebrado em dihidroxicetona-P, produzindo a glicose quando falta, deslocando o equilíbrio no sentido de formação da glicose-6P e depois vai para o RER sofrendo o mesmo processo anterior. Os ácidos graxos do TAG entram na mitocôndria através da carnitina e são convertidos em corpos cetônicos (diversas cetonas), que vão para a corrente sanguínea e depois vão alimentar as células que conseguem metaboliza-los, gerando energia. Em situação de jejum, o cérebro começa a ter energia a partir dos corpos cetônicos. Como consequência disso, pode ser causado cefaleia pela ativação de alguns neurônios. Além disso, a cetona causa o hálito cetônico.
Quando ocorre a quebra de proteínas e de lactato não ocorre o efeito rebote, não ocorre reposição de estoques, eles são perdidos.
Conceitos
Glicólise: metabolismo da glicose para produção de ATP, em presença de oxigênio;
Glicogenólise: degradação do glicogênio para produzir glicose;
Lipólise: queima de gordura, ácidos graxos para produção de ATP;
Glicogênese: produção de glicogênio a partir de glicose;
Gliconeogênese: produção de glicose a partir de substratos mais simples (alanina, lactato, glicerol);
Proteólise: queima de proteínas para ativar a gliconeogênese e gerar glicose, ATP e outras proteínas (aminoácidos).