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Regulação do metabolismo oxidativo e
equilíbrio energético
Laboratório de Bioquímica da Faculdade de Medicina do Porto 2
SemelhançasUsam a oxidação de compostos orgânicos como fonte de energia. A velocidade de oxidação dos compostos orgânicos aumenta com o
exercício. Diferenças óbviasOs seres vivos não têm chave de ignição: continuam “a gastar
gasolina” (a oxidar nutrientes) mesmo quando estão parados.Os automóveis não procuram activamente os postos de combustível
nem engordam quando se põe gasolina a mais no depósito.Os mamíferos tem pelo menos 2 (ou 3) depósitos de combustível:
glicídeos e triacilgliceróis (e proteínas).
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À despesa energética de um indivíduo (1) em repouso físico e mental, (2) em jejum há 10-18 h (3) e num ambiente com temperatura agradável chama-se taxa de metabolismo basal (BMR = basal metabolic rate).Como medi-la?
70 kg
O2consumido 15 moles / dia(330 L)
Calor libertado 1600 kcal/diaO calor que aumenta de 1ºC,1600 kg de água; 6,69 MJoules/dia 1,86 kWh/dia
Porque é que, ao contrário do automóvel, o ser vivo continua a libertar calor e a consumir O2 quando está parado?
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Mesmo em repouso, os órgãos continuam activos ocorrendo processos cíclicos cujo somatório é a hidrólise de ATP.Alguns exemplos:
1) Transporte iónico passivo via canais iónico e transporte activo via ATPases de membrana…
2) Contracção e relaxamento muscular no diafragma e coração via acção da ATPase de actina-miosina…
3) Síntese e hidrólise de ácidos nucleicos (RNA e DNA) e nucleotídeos… 4) Síntese e hidrólise de proteínas
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6) Ciclos de substrato no sentido estrito
7) Ciclos de substrato em sentido mais amplo como o que envolve os processos de hidrólise de triacilgliceróis e re-esterificação
5) Ciclos de Cori e da alanina
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Em condições de BMR, o grosso dos ATPs é consumido no transporte iónico ( 30 %) e síntese proteica ( 30 %). Uma percentagem menor ( 5 %) é consumida pela ATPase da actina-miosina.
ADP+Pi
transporteactivo
síntese proteica
trabalhomecânico
Na+
Ca2+
outrosEstima-se que nas condições BMR um indivíduo adulto de 70 kg hidrólise cerca de 40 mmoles/min (60 moles/dia). 40 mmol
ATP / min
Na ausência de mecanismos que fosforilem o ADP formado, todo o ATP do indivíduo ( 120 mmoles) se esgotaria em 3 min.
30% 30%5%
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Cada ATP hidrolisado é imediatamente reposto: a concentração de ATP é “estacionária” porque vel. de síntese = vel. de hidrólise.
nutrientesO2ADP
+Pi
CO2 + H2O
40 mmol ATP / min
8 mmol O2consumido na cadeia respiratória /min (180 mL/min).
Na+
Ca2+
A “reposição” do ATP (fosforilação do ADP) depende, em última análise, da oxidação dos nutrientes pelo O2.Admitindo que se formam cerca de 2,5 ATPs / átomo de oxigénio consumido
(razão P:O = 2,5 razão P:O2 = 5) a velocidade de 40 mmol de ATP / min 8 mmol de O2 consumido / min
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nutrientesO2ADP
+Pi
CO2 + H2O
Na+
Ca2+
40 mmolATP / min
8 mmol O2consumido na cadeia respiratória / min
A oxidação dos nutrientes é um processo exotérmico; para além de CO2 e H2O gera um “terceiro produto”: calor.
A BMR pode ser estimada medindo o O2 consumido ou o calor libertado porque existe proporcionalidade (quase perfeita) entre o O2 consumido e o calor libertado.
0,85 kcal/min
Nas reacções de oxidação dos nutrientes libertam-se cerca de 106 kcal / mole de O2 consumido.
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O calor libertado num sistema onde ocorrem reacções =diferença entre as entalpias dos produtos e reagentes.
Entalpia de A
A + B C + D
Entalpia de B
Entalpia de C
Entalpia de D
H = calor libertado
Nos casos dos glicídeos e lipídeos,o calor libertado na sua oxidação é igual nos seres vivos e no calorímetro…
…mas no caso das proteínas (e aminoácidos) os produtos da oxidação nos seres vivos não coincidem com os produtos formados num calorímetro…
6 O223 O2
glicose palmitato
6 CO2 + 6 H2O+ 669 kcal
16 CO2 + 16 H2O+ 2413 kcal
+ 793 kcal
+ 76 kcal
+ 869 kcal
10
nutrientesO2
CO2 + H2O
Poderá parecer estranho que, sendo o metabolismo tão complexo, quando se fala no calor libertado pelo ser vivo apenas se refiram as reacções de oxidação dos nutrientes mas...
... num ser vivo adulto as concentrações (e a quantidade total) dos intermediários, coenzimas, ATP, ADP, Pi, etc. são estacionárias (quase não variam) e, consequentemente, não há consumo nem formação efectiva destes intermediários.
O calor libertado = H das reacções onde ocorreu consumo efectivo de reagentes e formação efectiva de produtos.
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Exemplificando para o caso da oxidação do palmitato.
palmitato + 23O2 + 106ADP + 106Pi 16CO2+ 16H2O +106ATP +106H2O + 1883 kcal
O processo de oxidação do palmitato está acoplado à síntese de ATP e poderia pensar-se que a equação a escrever quando se pensa num organismo vivo inteiro deveria ser:
Mas só sintetizamos uma molécula de ATP quando uma se hidrolisa...
106 ATP + 106 H2O 106 ADP + 106 Pi + 530 kcal
palmitato + 23 O2 16 CO2 + 16 H2O + 2413 kcal
... e o somatório das duas últimas equações é:
palmitato + 23 O2 16 CO2 + 16 H2O + 2413 kcal12
O2 e calor estritamente acoplados com síntese/hidrólise de ATP:8 mmol / min x 1440 min = 11,5 moles / dia0,85 kcal / min x 1440 min = 1224 kcal / dia
O2 e calor (1) desacoplagem fisiológica entre oxidação e fosforilação + (2) oxigénases e oxídases
BMR
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1
kcal/dia
15 mol de O2 / dia
Uma parte (25-30%) do calor libertado e do oxigénio consumido em condições de medida da BMR não estão directamente relacionados com síntese de ATP.(1) Nas mitocôndrias das células, não existe acoplagem perfeita entre oxidação de nutrientes e síntese de ATP (ou seja, a razão P:O2 < 5, sempre).(2) Existem enzimas em cuja acção se consome O2 e se liberta calor (várias oxigénases e oxídases) e que não são a oxídase do citocromo c (complexo IV).
Pensa-se que 20% a 25% da BMR se deve a desacoplagem fisiológica entre fosforilação e oxidação nas mitocôndrias=uma parte do O2 reduzido a H2O pelo complexo IV na mitocôndria não estádirectamente relacionado com síntese de ATP.
nutrientesO2ADP
+Pi
CO2 + H2O
Na+
Ca2+
40 mmol ATP / min
> 8 mmol O2consumido na cadeia respiratória / min
> 0,85 kcal/min
mas se 1 mol O2 consumido 5 mol de ATP formado...como é possível aumentar a vel. de consumo de O2sem aumentar a vel. de formação de ATP?
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I III IVQ cyt c
1 NADH NAD+
4 H+
O H2O
V Simp. Pi
10 H+
2,5 ADP + 2,5 Pi
2,5 ATP
Proteína desacopladora (?)
n H+
Leak (pingar)+ n/10 NADH
+ n/10 NAD+ n/10 O
Quando n protões entram na mitocôndria através de um transportador que não é a síntase de ATP (leak), a manutenção do gradiente electroquímico da membrana exige que n protões sejam bombeados para fora da mitocôndria.O bombeamento destes n protões não se traduzem em síntese de ATP mas este bombeamento está dependente da oxidação dos nutrientes (e da redução do O2); por cada n protões bombeados n/10 NADH são oxidados.
Actualmente admite-se que uma das proteínas responsáveis pelo leak de H+ é o trocador ADP/ATP da membrana mitocondrial interna [Brand et al. (2005) Biochem J 392:353].
Outra parte do leak de H+ poderá corresponder a actividades basais de várias UCPs (“uncoupling proteins”).
(2 H+ + 4 H+)
H2O
CO2
H2O
O2
FenilalaninaTetra-hidro-biopterina
Di-hidro-biopterina
Tirosina-cetoglutarato
glutamato
p-hidroxifenil-piruvato
Homogentisato
maleilacetoacetato
fumarilacetoacetato
fumarato acetoacetato
H2O
O2
O2Etanol
H2O
O2NADPH
NADP+
acetaldeído
Acetil-CoA
NADPH
NADP+
Glicose-6-P
6-fosfo-gliconolactona
Ribulose-5-P
NADPH
NADP+
NADPH + CO2
NADP+
Uma parte (embora menor) do O2 gasto em condições de BMR não ésequer consumido na acção catalítica do complexo IV.As oxigénases (envolvidas, por exemplo, na oxidação de aminoácidos) e as oxídases de função mista (como a hidroxílase da fenilalanina e as enzimas da família dos citocromos P450) também consomem O2 e, indirectamente (via consumo de NADPH), estimulam a via das pentoses-fosfato e a produção de CO2. Todos estes processos
embora não directamente relacionados com a síntese de ATP são exotérmicos.
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…mas a relação émais linear quando se relaciona a BMR com a massa magra.
* CGL1= lipodistrofia congénita generalizada (deficit marcado de tecido adiposo por alteração na esterificação)
A taxa de metabolismo basal (BMR) é, em geral, tanto maior quanto mais pesado é o indivíduo
Toleban e col. Metab. (2008) 57:1155
*
Massa magra = massa corporal -tecido adiposo
Quando um indivíduo engorda aumenta a sua massa de triacilgliceróismas também a quantidade de tecido metabolicamente activo(citoplasma dos adipócitos, vasos sanguíneos do tecido adiposo, músculo, etc. = “massa isenta de gordura”) BMR
[Prentice et al. 1986,
Br Med J 192: 983-87]
Reciprocamente, quando se emagrece perde-se gordura, mas também a “massa isenta de gordura” BMR.
A secreção normal de hormonas tiroideias e o tono simpático basal contribuem para a BMR porque:
Contudo, quando se emagrece, a diminuição na BMR é maior que a que seria de esperar tendo em conta a diminuição de massa magra.
SNSimpático o leak de H+
uncoupling nas mitocôndrias do tecido adiposo castanho (via estimulação de UCP1) e músculo (talvez via UCP3)
vel. dos ciclos de substrato gasto de ATP
Exemplo: turnover proteico
a secreção de hormonas tiroideias o tono simpático no tecido adiposo castanho (e músculo)
turnover proteico leak de H+ despesa energética
Quando se emagrece:
Em muitas doenças há BMR e podem estar envolvidos mecanismos relacionados com gasto de ATP ou não relacionados directamente com este gasto
% de aumento relativamente a não doente
Hipertiroidismo (aumento das hormonas tiroideias) + 60 a 100 %
Traumatismo com fracturas múltiplas + 10 a 25 %
Grandes queimados + 25 a 60 %
Doenças febris (aumento para 39ºC) + 10 a 25 %No caso do hipertiroidismo a causa do aumento da BMR é turnover proteico (e talvez outros “ciclos de substrato”) e leak de H+
Noutras doenças em que há da BMR (nomeadamente nos traumatismos, nos queimados e doenças infecciosas agudas) há do tono simpático e as causas (ainda mal estudadas) do aumento da BMR poderão ser semelhantes.
Em todos os casos da BMR = consumo de O2 e produção de CO2 trabalho do diafragma e coração
gasto de ATP
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Que acontece à despesa energética quando um indivíduo aumenta a sua actividade física?
O2 consumido
>> 15 moles / dia(>> 330 L)
Calor libertado
>> 1600 kcal/dia
A maioria dos indivíduos têm uma taxa metabólica máxima (máximo esforço físico durante um período curto de tempo) que é 10 x BMR.
A despesa energética tem assim um 2º componente: despesa energética = BMR
+ despesa energética associada à actividade física
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nutrientesO2ADP
+Pi
CO2 + H2O
40 mmol ATP / min
8 mmol O2consumido na cadeia respiratória / min
Na+
Ca2+
O esforço físico provoca aumento das actividades da ATPase da actina-miosina e das ATPases do Na+/K+ e do Ca2+.
400 mmol ATP / min
ATP
A concentração de ATP desceria, a de ADP e Pi aumentaria e os processos dependentes de ATP deixariam de ocorrer.
Que aconteceria se a despesa energética não aumentasse quando um indivíduo aumenta a sua actividade física?
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Chance e Williams (1955) JBC 217:383
Um automóvel aumenta de velocidade quando aumentamos a velocidade com que a gasolina é injectada no motor. E nos seres vivos como é que éregulada a velocidade de oxidação dos nutrientes?
A 1ª resposta veio de estudos com mitocôndrias isoladas ainda antes de o modelo de Mitchell ter sido proposto (ADP = acelerador da oxidação).
Adaptando a proposta do ADP como acelerador (Chance e Williams, 1955) à teoria de Mitchell…
III-FAD
III IVdG3P-FAD
Q cyt c
NADH NAD+
H+ H+ H+
O H2O
V Simp. Pi
H+
ADP ATP desidrogénases
ADP e ATP síntase do ATP gradiente electroquímico da membrana mitocondrial cadeia respiratória [NADH] e [NAD+] desidrogénases do ciclo de Krebs, glicólise e oxidação em
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Outras observações feitasin vitro também apontam para a importância das variações de concentração de ADP, AMP, ATP, NAD+ e NADH.
Glicose
acetil-CoA
Piruvato
NAD+
NADH
NAD+
NADH
NAD+
NADH
Frutose-6-P
Frutose-1,6-BisP
Desidrogénase do isocitrato
Desidrogénase do piruvato
Desidrogénase do -cetoglutarato
Cínase da frutose-6-P
ADP e AMP
ATP
ADP e NAD+
ATP e NADH
ADP e NAD+
ATP e NADH
ADP e NAD+
ATP e NADH
Fosforílase do glicogénio
AMPGlicogénio
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A concentração celular de AMP aumenta quando aumenta a de ADP: aumento da velocidade de hidrólise do ATP provoca aumento da concentração intracelular de AMP. O AMP (para além de ser um activador da glicogenólise e da glicólise) também é activador do catabolismo dos ácidos gordos.
O AMP
activa a AMPK
que inactiva a carboxílase de acetil-CoA
o que baixa a concentração de malonil-CoA
o que activa a carnitina-palmitoil transférase I
Oxidação em β26
No entanto, as variações na concentração celular do ADP, AMP, Pi, ATP, NAD+ e NADH são demasiado modestas (no coração são nulas) para poderem por si só explicar completamente as marcadas variações de velocidade no consumo de oxigénio e nutrientes quando a velocidade de síntese/hidrólise de ATP aumenta durante o esforço muscular.
Deverá haver outros factores reguladores…
NAD+
NADH
nutrientes
CO2 O2
H2O
H+ (dentro)
H+ (fora) ADP+Pi
ATP
ATPasessíntase do ATP
cadeia respiratóriadesidrogénases
vel.1 = vel.2 = vel.3 = vel.4
XAinda não se sabe o que é o X; poderá haver vários X e um deles pode ser o ião Ca2+.
Adaptado de Korzeniewski (2006) Am J Physiol Heart Circ Physiol 291: 1466
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Quando um músculo é estimulado por um nervo motor ocorre despolarização que induz uma cadeia de fenómenos...
Com origem no meio extracelular ou no retículo sarcoplasmáticoo Ca2+ move-se para o citoplasma.
[Ca2+] citoplasmático 100 vezes (0,1 M 10 M)
[Ca2+] na matriz da mitocôndria
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Que efeitos provoca o Ca2+ nas enzimas relacionadas com a oxidação dos nutrientes e a hidrólise do ATP?
NAD+
NADH
nutrientes
CO2 O2
H2O
H+ (dentro)
H+ (fora) ADP+Pi
ATP
Síntase do ATP
Cadeia respiratória
Fosforólise e desidrogénase
Ca2+ citoplasmático
ATPases
ATPase da actina-miosina
ATPase do Ca2+
Síntase do ATP
Complexos I e IV
desidrogénase do glicerol-3-P
desidrogénases do piruvato do isocitratodo -cetoglutarato
Ca2+ mitocôndrial
cínase da fosforílase do glicogénio
Quando se mede a BMR a temperatura ambiente tem de ser agradável. Que acontece se estiver frio?A despesa energética tem um 3º componente:despesa energética associada à adaptação ao frio.
Trémulo = [Ca2+]citoplasmaque estimula processos de hidrólise de ATP. Estimulação do
SNSimpático (SNS) –adrenalina e noradrenalina
Estimulação do sistema hipotálamo – hipofisário -tiróide hormonas tiroideias
Desacoplagem (uncoupling) entre fosforilação e oxidação mitocondrial no tecido adiposo castanho.
Activação de “ciclos de substrato” aumento da velocidade de hidrólise do ATP.
do consumo de O2 e de nutrientes e da produção de calor.
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I III IVQ cyt c
1 NADH NAD+
4 H+
O H2O
V Simp. Pi
10 H+
2,5 ADP + 2,5 Pi
2,5 ATP
Quando o SNSimpático (e, indirectamente, as hormonas tiroideias) estimulam a UCP1 aumenta a velocidade de oxidação do NADH e dos nutrientes aumenta o consumo de oxigénio e produção de calor (pode ser para o dobro).
O bebé humano não treme mas tem tecido adiposo castanho, onde existe termogenina (UCP1; uncoupling protein 1) cuja actividade é estimulada pelo Sistema Nervoso Simpático.
A UCP1 (Uncoupling Protein 1) é uma proteína da membrana da mitocôndria que, como a síntase do ATP, deixa passar H+ a favor do gradiente mas não sintetiza ATP.A passagem dos H+ diminui o gradiente electroquímico “facilitando a tarefa” (estimulando) dos complexos I, III e IV… e em última análise a oxidação dos nutrientes.
UCP1
n H+
Leak+ n/10 NADH
+ n/10 NAD+
SNSimp.
n/10 O
(2 H+ + 4 H+)
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No homem adulto, a resposta termogénica ao frio pode ser também mediada pelas hormonas tiroideias e pelo SNSimpático que activam o leak de H+ nas mitocôndrias dos músculos e tecido adiposo castanho [Wijers et al. (2008) PLOSone 3: e1777].
No caso do músculo, os mecanismos e as proteínas envolvidas no aumento do grau de uncoupling mitocondrial são ainda controversos.
A antiga convicção que o adulto quase não tem tecido adiposo castanho nem UCP1 foi recentemente questionada: a maioria dos adultos tem tecido adiposo castanho [Nedergard et al. (2011) Ann N York Acad Sci 1212: E20].
I III IVQ cyt c
1 NADH NAD+
4 H+ (2 H+ + 4 H+)
O H2O
V Simp. Pi
10 H+
2,5 ADP + 2,5 Pi
2,5 ATPLeak
n H+
+ n/10 O+ n/10 NADH
+ n/10 NAD+
SNS
UCP1 e ?
Quando se mede a BMR o indivíduo deve estar em jejum há 10-18 h. Que acontece se tiver acabado de comer?
A ingestão de alimentos provoca no consumo de O2(e na produção de calor).
A despesa energética tem assim um 4º componente:efeito termogénico dos nutrientes (ou acção dinâmica
específica = denominação que já entrou em desuso).
Aumento do consumo de ATP nos processos de armazenamento de glicose (síntese de glicogénio) e gorduras (síntese de triacilgliceróis).
Estimulação do SNSimpático com aumento do leak de H+
Causas mal conhecidas mas possivelmente associadas a...
Aumento da actividade de oxigénases e oxídases envolvidas na oxidação de AAs...
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Quando se estuda o equilíbrio energético, uma boa analogia para o ser vivo é uma lareira em que o calor produzido e o O2 consumido correspondem à despesa energética.
Tal como numa lareira o calor libertado é a diferença entre
as entalpias dos reagentes (compostos orgânicos que se oxidam e oxigénio que se reduz)
e as entalpias dos produtos (CO2 + H2O + compostos orgânicos incompletamente oxidados).
A despesa energética total = somatório de (1) BMR (taxa metabólica basal)
a) associado estritamente a hidrólise/síntese de ATPb) acção de oxídases e oxigénases e desacoplagem na fosforilação oxidativa
(2) despesa energética associada a actividade física(3) efeito termogénico dos nutrientes
(4) despesa energética associada à adaptação ao frio
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Que acontece se um indivíduo não se alimentar durante algum tempo?
A formação contínua de ADP mantém activos os processos oxidativos e o indivíduo vai oxidando os seus próprios lipídeos, glicídeos e proteínas.
A quantidade total de calor libertado (ou O2 consumido)é a despesa energética.
Se a “lareira” não for alimentada com “lenha” acaba por apagar-se por falta de combustível...
Para manter a “lareira” acesa e com tamanho constante énecessário adicionar-lhe os combustíveis que se vão queimando...
Um indivíduo em equilíbrio energético(= balanço energético nulo)mantém constante a massa corporal porque toma do exterior
energia metabolizável dos alimentos =despesa energética.
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A que é que corresponde a energia não metabolizável dos alimentos?
Ainda é possível (por combustão completa numa fornalha) obter energia
das fezes, da urina e dos gazes expirados
parte da energia dos alimentos não é metabolizada
A energia não metabolizável dos alimentos é variável e, num indivíduo sem problemas gastro-intestinais, depende dos alimentos ingeridos e do seu processamento:1- As proteínas geram ureia (da urina) e não N2…
2- Os combustíveis perdidos nas excreções não representam energia metabolizável.
... a celulose e outras fibras da dieta não são absorvidas
... dependendo do grau de cozedura uma parte dos nutrientes não é digerida nem absorvida... e perde-se nas fezes
... parte do alcool ingerido e dos corpos cetónicos formados perdem-se na urina e no ar expirado 36Nota: é frequente na literatura médica usar-se a expressão Cal
como sinónimo de kcal.
Valores médios... em
kcal/g
Oxidação completa num calorímetro, lareira…
Oxidação humana.Energia metabolizável dos alimentos absorvidos e das reservas energéticas.
Energia metabolizável dos alimentos que irão ser ingeridos (ou valor calórico fisiológico)
Glicídeos (amido ou glicogénio)
4,1 4,1 4 (absorção incompleta)
Proteínas 5,9 4,3 (ureia e não N2) 4 (absorção incompleta)
Lipídeos (triacilgliceróis)
9,5 9,5 9 (absorção incompleta)
Etanol 7,1 7,1 7 (perdas na respiração e urina)
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Se a energia metabolizável dos alimentos = despesa energética o indivíduo tem balanço energético nulo.
Um balanço energético nulo não é sinónimo de alimentação saudável:
Se a energia metabolizável dos alimentos > despesa energética balanço energético positivo...diferença = energia de oxidação da matéria orgânica que se acumula no ser vivo...
Se a energia metabolizável dos alimentos < despesa energética balanço energético negativo... diferença = energia de oxidação da matéria orgânica do ser vivo que se oxida e não éreposta...
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pequeno almoçoalmoço
lanche
jantar
a dormir
Períodos de “ginástica”
Taxa da despesa energética total e ingestão calórica ao longo de um dia num indivíduo adulto sedentário
Quando falamos de balanço energético não é adequado pensar em períodos curtos de tempo.
Ao longo das horas de um dia (quase; termogénese associada à ingestão de alimentos) não hárelação entre a (1) energia metabolizável dos nutrientes ingeridos e a
(2) despesa energética.
A maior parte dos adultos tende a manter o peso mais ou menos estável durante largos períodos de tempo (meses ou anos) existem mecanismos neuro-endócrinos que tendem a ajustar o valor calórico da dieta (apetite) ao da despesa energética.
Energia metabolizável dos alimentos ingeridos
Despesa energética total
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Nos mamíferos adultos saudáveis e com alimentos disponíveis (e “apetecíveis”)a energia metabolizável dos alimentos tende a equilibrar (ou a suplantar ligeiramente) a despesa energética (= balanço energético nulo ou ligeiramente +).Na regulação homeostática da ingestão de alimentos estão envolvidas hormonas libertadas no tubo digestivo, no pâncreas e no tecido adiposo. O hipotálamo é o local do cérebro mais importante na regulação do apetite.
Por exemplo:
1) A leptina é uma hormona sintetizada no tecido adiposo a uma velocidade proporcional àsua massa.
A leptina tem receptores em núcleos hipotalâmicos que quando estimulados pela leptina inibem o apetite.
2) A colescistocinina élibertada no intestino quando uma refeição contém lipídeos; estimula o nervo vago induzindo saciação.
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Os mecanismos homeostáticos neuro-endócrinos tendem a manter a energia metabolizável dos alimentos igual à despesa energética mas ... os hábitos dietéticos e a baixa actividade física na civilização ocidental moderna aumento de peso médio de cerca de 10 kg entre os 25 e os 40 anos de idade.Qual o valor da diferença entre a energia metabolizável dos alimentos e a despesa energética que explica este aumento de peso? 8 000g * 9,5 kcal/g = 76 000 kcal
400g * 4,3 kcal/g = 1 720 kcal
77 720 kcal77 720 kcal / (365 dias *15 anos) = excesso médio de 14,2 kcal por dia
Considerando uma despesa energética média de 2400 kcal/dia ... para engordar 10 kg em 15 anos basta ter um balanço energético positivo de + 0,59 %.
O único método de avaliação do balanço energético é a comparação da massa corporal (eventualmente complementada com a avaliação da sua composição) em dois momentos temporais (intervalo > 1 mês, por exemplo).
“Antes que apodreçam, o sítio mais seguro para guardar os alimentos em excesso é no próprio tecido adiposo.”
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A variação no tempo da massa dos diferentes compartimentos do organismo(massa gorda e massa isenta de gordura) pode servir para saber se existe balanço energético positivo, nulo ou negativo e para quantificar o seu valor.
Déficit calórico admitindo que:
(1) variação de reservas de glicídeos = 0
(2) 20 % da massa isenta de gordura = proteína
14 500 g Lip * 9,5 kcal/g = 137 750 kcal
2 020 g Pro * 4,3 kcal/g = 8 686 kcal
146 436 kcal
balanço negativo = 1 541 kcal/diaValor calórico da dieta diária foi estimada = 5 070 kcal/dia
A despesa energética diária foi estimada pela técnica da “água duplamente marcada”em dois períodos de 15 dias cada = 6 524 kcal/diabalanço negativo = (6 524 – 5 070) = 1 454 kcal/diaAceitando os pressupostos, os dois valores (1541 e 1454 kcal/dia) deveriam ser iguais;a pequena diferença resulta do erro experimental.
Exemplo de um estudo que incluiu uma viagem à Antártida durante 95 dias [Straud et al. (1994) Clin Sci 87 supp: 54]
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O Quociente Respiratório (Respiratory Exchange Ratio) varia com o tipo de nutriente que está a ser oxidado.
QR = CO2 / O2O QR é 1 quando se oxidam glicídeos e 0,7 quando se oxidam lipídeos.
O QR das proteínas tem, em média, um valor intermédio 0,84.
O calorímetro indirecto mede as velocidades de consumo de O2 e a produção de CO2 permitindo calcular a despesa energética e o Quociente Respiratório (QR)QR = moles ou volume CO2 excretado / moles ou volume de O2 consumido.
glicose (C6H12O6) + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O
6/6 = 1
palmitato (C16H32O2) + 23 O2 16 CO2 + 16 H2O
16/23 = 0,7
glutamina (C5H10O3N2) + 4,5 O2 4 CO2 + 3 H2O + 1 ureia
4/4,5 = 0,9
leucina (C6H13O2N) + 7,5 O2 5,5 CO2 + 5,5 H2O + 0,5 ureia
5,5/7,5 = 0,73
O QR seria 0,7 se, num dado momento, os únicos nutrientes a serem oxidados fossem lipídeos.
O QR é 1se, num dado momento, o único nutriente a ser oxidado éa glicose (ou e glicogénio).
Glicose + O2
Triacilgliceróis + O2
Na prática em todos os momentos oxidamos misturasde glicídeos, lipídeos e proteínas
… com diferentes proporções que dependem da:
(1) dieta (mais ou menos rica em lipídeos versusglicídeos),
(2) do estado nutricional e
(3) da intensidade do exercício físico.QR = 1 QR = 0,7 44
Em jejum(antes do pequeno almoço, por exemplo)
a insulina está baixa (1) inibição das enzimas e transportadores que promovem a oxidação da glicose(2) estimulação a lipólise e (3) estimulação da cartinina-palmitil-transférase 1 (que promove a oxidação dos ácidos gordos).
Durante o período absortivo de uma refeição que contenha glicídeos, a insulina está alta (1) estimulação das enzimas (glicocínase e cínase da frutose-6-P hepáticas, desidrogénase do piruvato) e dos transportadores (GLUT 4 no músculo) que promovem a oxidação da glicose e(2) inibição a lipólise (= hidrólise de triacilgliceróis) e (3) inibição da cartinina-palmitil-transférase 1 (o que implica inibição da oxidação dos ácidos gordos).
QR entre 1 e 0,95
QR 0,85
O QR aumenta, aproximando-se de 1, quando oxidamos glicídeos e baixa, aproximando-se de 0,7, quando oxidamos lipídeos.
45Loon et al. (2001) J Physiol 536: 295-304.
Em jejum(e em repouso ou com exercícios de baixa intensidade)o consumo de glicose émais baixo que e o de lipídeos.
No entanto, quando (mesmo em jejum) se aumenta a intensidade do exercício o consumo de glicose e de glicogénio muscular aumenta muito mais que o de gorduras o QR sobe e aproxima-se de 1 porque...1- O Ca2+ citoplasmático estimula (1a) a cínase da fosforílase do glicogénio e (2b) a fosfátase da desidrogénase do piruvato.2- Mobilização de GLUT4 para a membrana sarcoplasmática independente da insulina (via AMPK).3- [AMP] citoplasmático cínase-1 da frutose-6-P 4- Diminuição da oxidação em beta; talvez por inibição da carnitina-palmitil transférase I causada por descida do pH.
glicogénio muscular
glicose plasmática
triacilgliceróis do musculo
ácidos gordos livres plasmáticos
QR=0,83QR=0,93
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Num indivíduo em balanço energético nulo em que a composição corporal também não varia, o seu QR médio = “QR” da dieta (food RQ).
30 dias com despesa de 2400 kcal/dia = 72000 kcale igual valor de energia metabolizável na dieta
Dieta:X g de glicídeos +Y g de lipídeos +Z g de proteínas
O2
X g de glicídeos oxidados +Y g de lipídeos oxidados +Z g de proteínas oxidadas
70 kg de peso
70 kg de peso
Quando estamos a emagrecer (balanço energético negativo) oxidamos toda a dieta + triacilgliceróis endógenos QR < “QR” da dieta
Quando estamos a engordar (balanço energético positivo) oxidamos todos os glicídeos da dieta, mas parte dos ácidos gordos da dieta são armazenados QR > “QR” da dieta
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Se se está em jejum total (excepto água) prolongado (um mês por exemplo) o glicogénio hepático e muscular desaparece ao fim de poucos dias e oxidamos as nossas gorduras e proteínas. Ao longo do jejum prolongado a
BMR vai baixando (porque as hormonas tiroideias baixam), a actividade física reduz-se a quase zero…
Admitamos que no dia 20 de jejum total…
gordura =
100 g / dia
proteína =
50 g / dia
BMR = 100 x 9,5 + 50 x 4,3 = 1165 kcal/ dia
Qual o QR?L de CO2 = 100 g/dia x 1,39 L/g +
50 g/dia x 0,75 L/g =176,5 L / dia
L de O2 = 100 g/dia x 1,96 L/g +50 g/dia x 0,94 L/g =
243 L / dia
QR= 176,5 L CO2 / 243 L O2 = 0,73No jejum total a única fonte de glicose é a gliconeogénese. O glicerol dos triacilgliceróis e os aminoácidos das proteínas fornecem substrato para a síntese de glicose.1 g de TAG (glicerol) 0,1 g de glicose; 1 g de aminoácidos 0,6 g de glicose.
100 g x 0,1 + 50 g x 0,6 = 40 g de glicose; …seria insuficiente para nutrir o cérebro se, no jejum total, não estivesse activada a cetogénese…
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Bibliografia consultada:1. Brand, M. D. (2005) The efficiency and plasticity of mitochondrial energy transduction, Biochem Soc Trans. 33, 897-904.2. Das, A. M. (2003) Regulation of the mitochondrial ATP-synthase in health and disease, Mol Genet Metab. 79, 71-82.3. DosSantos, R. A., Alfadda, A., Eto, K., Kadowaki, T. & Silva, J. E. (2003) Evidence for a compensated thermogenic defect in transgenic
mice lacking the mitochondrial glycerol-3-phosphate dehydrogenase gene, Endocrinology. 144, 5469-79.4. Hansford, R. G. & Zorov, D. (1998) Role of mitochondrial calcium transport in the control of substrate oxidation, Mol Cell Biochem. 184,
359-69.5. Korzeniewski, B., Noma, A. & Matsuoka, S. (2005) Regulation of oxidative phosphorylation in intact mammalian heart in vivo, Biophys
Chem. 116, 145-57.6. Rolfe, D. F. & Brown, G. C. (1997) Cellular energy utilization and molecular origin of standard metabolic rate in mammals, Physiol Rev. 77,
731-58.7. Sharma, N., Okere, I. C., Brunengraber, D. Z., McElfresh, T. A., King, K. L., Sterk, J. P., Huang, H., Chandler, M. P. & Stanley, W. C.
(2005) Regulation of pyruvate dehydrogenase activity and citric acid cycle intermediates during high cardiac power generation, J Physiol. 562, 593-603.
8. Silvestri, E., Schiavo, L., Lombardi, A. & Goglia, F. (2005) Thyroid hormones as molecular determinants of thermogenesis, Acta Physiol Scand. 184, 265-83.
9. Zaninovich, A. A., Rebagliati, I., Raices, M., Ricci, C. & Hagmuller, K. (2003) Mitochondrial respiration in muscle and liver from cold-acclimated hypothyroid rats, J Appl Physiol. 95, 1584-90.
10. Frayn, K. N. (2010) Metabolic regulation. A human perspective., 3nd edn, Wiley-Blackwell, Oxford.11. Elia, M. (2000) Hunger disease, Clin Nutr. 19, 379-86.12. Flatt, J. P. (1995) McCollum Award Lecture, 1995: diet, lifestyle, and weight maintenance, Am J Clin Nutr. 62, 820-36.13. Kalderon, B., Mayorek, N., Berry, E., Zevit, N. & Bar-Tana, J. (2000) Fatty acid cycling in the fasting rat, Am J Physiol Endocrinol Metab.
279, E221-7.14. Wijers, S. L., Saris, W. H. & van Marken Lichtenbelt, W. D. (2009) Recent advances in adaptive thermogenesis: potential implications for
the treatment of obesity, Obes Rev. 10, 218-26.15. Lopez, M., Varela, L., Vazquez, M. J., Rodriguez-Cuenca, S., Gonzalez, C. R., Velagapudi, V. R., Morgan, D. A., Schoenmakers, E.,
Agassandian, K., Lage, R., de Morentin, P. B., Tovar, S., Nogueiras, R., Carling, D., Lelliott, C., Gallego, R., Oresic, M., Chatterjee, K., Saha, A. K., Rahmouni, K., Dieguez, C. & Vidal-Puig, A. (2010) Hypothalamic AMPK and fatty acid metabolism mediate thyroid regulation of energy balance, Nat Med. 16, 1001-8.
16. Cannon, B. & Nedergaard, J. (2010) Thyroid hormones: igniting brown fat via the brain, Nat Med. 16, 965-7.17. Nedergaard, J., Bengtsson, T. & Cannon, B. (2010) Three years with adult human brown adipose tissue, Ann N Y Acad Sci. 1212, E20-
36.18. Livesey, G. & Elia, M. (1988) Estimation of energy expenditure, net carbohydrate utilization, and net fat oxidation and synthesis by
indirect calorimetry: evaluation of errors with special reference to the detailed composition of fuels, Am J Clin Nutr. 47, 608-28.19. Wijers, S. L., Saris, W. H. & van Marken Lichtenbelt, W. D. (2009) Recent advances in adaptive thermogenesis: potential implications
for the treatment of obesity, Obes Rev. 10, 218-26. Rui Fontes – Março /2011