Como a oxidação e a redução estão envolvidas no metabolismo?

Para encontrar a resposta para essa pergunta precisamos colocar em prática nossos conhecimentos em Bioquímica geral.

As reações de oxidação e a redução apesar de possuírem natureza contrária, ocorrem simultaneamente em todas as reações onde existe troca de elétrons. Nas oxidações um composto irá perder elétrons para outro, ficar com carga mais positiva e consequentemente com um nox maior. Já na redução o composto irá ganhar elétrons de outro, ficando com uma carga mais negativa e um nox menor.

No metabolismo dos seres vivos essas reações ocorrem constantemente estando presente em todas vias metabólicas, como por exemplo no ciclo de Krebs, glicólise, beta oxidação, entre outras.

Portanto, reações de oxidação e as reações de redução estão presentes nas reações bioquímicas que compõe o metabolismo.

O ATP é a principal fonte de energia em todas as células. O organismo pode produzir ATP através da oxidação de carboidratos, ácidos graxos livres (FFAs), aminoácidos (AAs) e corpos cetônicos. As oxidações biológicas correspondem a um conjunto de reações bioquímicas, em nível celular, que fornecem às células a energia necessária à realização do trabalho celular. 

O metabolismo energético pode ser dividido em três estágios principais: hidrólise das macromoléculas (proteínas, polissacarídeos, lipídios) até as unidades constituintes (aminoácidos, monossacarídeos, ácidos graxos e glicerol); conversão das unidades constituintes em compostos oxidáveis (principalmente Acetil-CoA); oxidação do Acetil-CoA formando CO2 e H2O e captura da energia quando a síntese de ATP é acoplada à Cadeia de Transporte de Elétrons. 

A regulação metabólica é feita pela modulação de enzimas regulatórias de processos metabólicos chaves, de tal modo que se possa ativar ou inibir reações bioquímicas específicas para cada situação resultando em respostas biológicas adequadas. Existem dois tipos principais de regulação enzimática uma intracelular, comandada pela presença de moduladores alostéricos enzimáticos positivos ou negativos, e uma sistêmica deflagrada pelos hormônios. 

Os hormônios são importantes moduladores da atividade enzimática, pois sua ação na célula pode resultar na ativação de proteínas quinases ou fosfatases, as quais atuam sobre as enzimas, de tal modo que promovem a regulação covalente das mesmas por meio da fosforilação ou desfosforilação de um ou mais resíduos de tirosina, treonina ou serina. 

Os principais hormônios que influenciam diretamente o metabolismo energético incluem a insulina, o glucagon, as catecolaminas, o cortisol, o hormônio do crescimento, somatostatina, além de várias outras substâncias hormonais ou não-hormonais que podem agir tanto no nível periférico quanto central. Os objetivos desta revisão consistem em apresentar uma visão geral sobre o metabolismo energético. 

Visão Geral do Metabolismo Energético: Síntese De ATP 

A ATP é gerado pela oxidação de carboidratos, ácidos graxos livres (FFAs) e aminoácidos (AAs). O carboidrato primário (substrato) utilizado pelas células é a glicose, um monossacarídeo de seis carbonos (hexose). Quatro fases principais estão envolvidas na oxidação da glicose: transporte e retenção da glicose no ambiente intracelular; glicólise; ciclo do ácido tricarboxílico (Ciclo de Krebs); fosforilação oxidativa. 

Na primeira fase, a glicose é transportada através da membrana por facilitadores do transporte de glicose bidirecional uma vez que é uma molécula hidrofílica. As duas famílias de transportadores de glicose são os co-transportadores de sódio-glicose (SGLTs) e os transportadores GLUT de difusão facilitada. Os SGLTs estão localizados na membrana apical dos epitélios intestinal e tubular proximal renal e são responsáveis pelo transporte transepitelial de glicose. 
Os GLUTs possuem 4 isoformas que promovem o transporte transmembrana da glicose. O GLUT 1 e GLUT3 são amplamente expressos por vários tipos celulares e estão acoplados a uma hexoquinase de alta afinidade que fosforilam a glicose em glicose-6-fosfato (G-6- P) promovendo a retenção no ambiente intracelular. O GLUT2 é uma isoforma expressa nas células hepáticas, beta-pancreáticas e na membrana basolateral das células do epitélio intestinal e do túbulo renal e está acoplado a uma hexoquinase de baixa afinidade (glicoquinase) que desempenha um papel fundamental na regulação dos níveis de glicose plasmática. O GLUT4, ao contrário das demais isoformas, possui expressão dependente de insulina ocorrendo primariamente no músculo esquelético e no tecido adiposo. Este receptor é encontrado na membrana de vesículas citoplasmáticas e, em resposta à sinalização da insulina, é translocado para a membrana plasmática. 

A glicólise envolve reações catabólicas citoplasmáticas que fornecem 2 ATPs/mol enquanto consome o co-fator NAD+ por meio da redução em NADH. Na primeira fase da glicólise ocorre a fosforilação da glicose seguida da formação de 2 moléculas de gliceraldeído-3-fosfato. Na segunda fase o gliceraldeído-3-fosfato é convertido em piruvato, o produto primário da glicólise. 

Na presença de oxigênio, o piruvato é transportado para a matriz mitocondrial onde é convertido em Acetil coenzima A (Acetil CoA) pelo complexo piruvato desidrogenase e então metabolizado no ciclo do ácido tricarboxílico (Ciclo de Krebs ou ácido Cítrico) a partir da citrato sintase. A função do Ciclo de Krebs é oxidar o Acetil-CoA em CO2 e H2O, fornecer elétrons para a fosforilação oxidativa (cadeia respiratória) e intermediários de precursores importantes. 

Nessa etapa ocorre a formação total de 12 ATPs. A fosforilação oxidativa é o estágio no qual as moléculas intermediárias de energia como NADH e FADH2 participam da síntese de várias moléculas de ATP, por meio dos componentes da cadeia de transporte de elétrons que correspondem a complexos protéicos (centro redox: NADH-Q redutase, citocromo redutase, ubiquinina, coenzima Q , citocromo C, citocromo oxidase, ATP sintetase) localizados no espaço intermembrana da crista mitocondrial. Em resumo, o processo total de oxidação da glicose gera em torno de 36 a 38 ATPs. 

Os FFAs são convertidos, no citoplasma, em Acil-CoA (enzima Acil-CoA sintetase) e, posteriomente, transportados para matriz mitocondrial por meio da Carnitina Palmitoiltransferase (CPT-I e CPT-II) e Carnitina-Acilcarnitina Translocase. A Acil-CoA é metabolizada na mitocôndria por um ciclo de três reações sucessivas de remoção de pares de carbono denominado de beta-oxidação quando é gerado uma molécula de Acetil CoA que pode ser oxidada pelo ciclo do ácido tricarboxílico e pela fosforilação oxidativa. 

É importante ressaltar que aporte elevado de ácidos graxos livres (FFAs) ao fígado pode levar à formação do Acetoacetil-CoA, por meio de uma tiolase citoplasmática, e à ativação de sistemas enzimáticos que induzem a formação corpos cetônicos (acetoacetato, ?-hidroxibutirato, acetona) que poderão ser utilizados com fonte de energia por outras células ou eliminados pela respiração e excreção urinária. Os AAs também podem ser fonte de energia a partir da reação de transaminação (transferência do grupo amino para outra molécula) que converge para os diversos níveis do Ciclo do Ácido Tricarboxilíco (oxalacetato, a-cetoglutarato, piruvato, fumarato, succinil-CoA, acetil-CoA ou acetoacetil-CoA). A partir dos AAs que são degradados à Acetil-CoA e Acetoacetil-CoA (Tirosina, Leucina, Lisina, Isoleucina, Fenilalanina, Triptofano) também é possível a formação de corpos cetônicos. É importante ressaltar que a metabolização de AAs para obtenção de energia gera amônia (NH4+), uma substância altamente tóxica, e, portanto deve estar associada ao ciclo da uréia no fígado. 

Considerações Finais 

A regulação do metabolismo energético é fundamental para que um organismo possa responder de modo rápido e eficiente a variações das condições ambientais, alimentares ou ainda a condições adversas como traumas e patologias. 

Referências 

AIRES, MM. Fisiologia. 3 ed. Guanabara Koogan, 2008. 

BERG JMT, TYMOCZKO JL, STRYER L. Bioquímica. 6 ed. Guanabara Koogan, 2008. 

KOEPPEN BM, STANTON BA. BERNE & LEVY: FISIOLOGIA. 6 ed. Elsevier, 2009.