Metabolismo: Conceitos e Regulação

1. Defina os seguintes termos: metabolismo, catabolismo, anabolismo.

Metabolismo é o conjunto de reações químicas (bioquímicas) que ocorre nos seres vivos. Ele é composto por reações de construção de compostos (anabolismo) e de degradação de compostos (catabolismo). Em termos gerais, o termo metabolismo muitas vezes é usado para denominar o processo de digestão, absorção e transformação de alimentos em energia pelo organismo.

2. Qual é o conceito de homeostase (no contexto do metabolismo)?

Homeostase é a capacidade de um organismo tender a manter estáveis seus parâmetros biológicos e fisiológicos frente a variações do ambiente ou do meio, e frente a desafios como alimentação, jejum, etc. Exemplos são a manutenção da temperatura corpórea, a homeostase glicêmica, o equilíbrio hidroeletrolítico, entre outros.

3. Defina: hormônio, receptor, célula-alvo.

Hormônios são substâncias químicas sinalizadoras, reguladoras ou mediadoras produzidas pelo organismo, secretadas e transportadas na circulação, e que exercem sua função em outros tecidos, órgãos ou sistemas corporais, modulando sua função e respostas fisiológicas. Hormônios podem ser de natureza proteica (peptídicos), derivados de esteroides, derivados de aminoácidos, e outros. Receptores são proteínas celulares às quais um determinado hormônio se liga. Podem ser ancorados a membranas ou solúveis, e sua ativação leva a respostas celulares, teciduais ou sistêmicas de sinalização, iniciando cascatas de sinalização ou mudanças da transcrição gênica. Células-alvo são aquelas que apresentam receptores para determinados hormônios, sendo assim alvo de suas ações.

4. Onde são produzidos a insulina e o glucagon? E a epinefrina/adrenalina?

Insulina e glucagon são produzidos no pâncreas, mais especificamente nas células β e α das ilhotas de Langerhans, respectivamente, que fazem parte da porção endócrina do pâncreas. A epinefrina (adrenalina) é produzida na medula das glândulas adrenais (suprarrenais), justapostas aos rins. Glicocorticoides, mineralocorticoides e testosterona são outros hormônios produzidos pelas adrenais, porém em regiões diferenciadas no córtex dessas glândulas.

5. Qual o estímulo para a síntese/liberação de cada um dos hormônios pancreáticos (insulina e glucagon), e quais as ações desses na glicemia?

O principal modulador para a síntese e liberação dos hormônios pancreáticos é a glicemia (alta ou baixa), pois a entrada de glicose nessas células, através do GLUT2 (transportador de baixa afinidade), modula o balanço energético dessas células, resultando na modulação de permeabilidade de canais de K⁺. Alta energética (alta glicemia) sinaliza para a liberação de insulina, baixa energética (baixa glicemia e baixa insulina) sinaliza para a liberação de glucagon. A insulina tem ação hipoglicemiante, modulando a retirada de glicose do plasma por diferentes tecidos, e glucagon tem ação glicemiante, modulando o aporte de glicose a partir de glicogenólise hepática, ativando também a gliconeogênese hepática (feita a partir da degradação de aminoácidos e do glicerol proveniente da lipólise, também, estimulada por glucagon).

6. Durante a digestão, como são absorvidos os açúcares e os lipídeos da dieta?

Os enterócitos absorvem apenas monossacarídeos, através dos transportadores GLUT5 e SGLT1 luminalmente e GLUT2 basolateralmente. Sendo assim, polissacarídeos da dieta, como amido e glicogênio, são antes digeridos pelas amilases do TGI (salivar e pancreática), e dissacarídeos e outros pequenos oligossacarídeos são digeridos por sacaridases da borda em escova. Os açúcares são diretamente lançados na circulação portal. Já os lipídeos, sendo em geral hidrofóbicos, formam no TGI gotas de gordura que serão dispersas e emulsificadas pelos sais biliares, e digeridas por lipases, produzindo ácidos graxos (AG), monoglicerídeos (MAG), lisofosfolipídeos, colesterol livre, e outras moléculas hidrofóbicas. Neste processo, a mistura dos sais biliares e dos produtos de hidrólise resulta na formação de minúsculas micelas discoidais, com alta superfície de troca. O contato com a superfície luminal dos enterócitos permite a absorção regulada desse conteúdo lipídico através de transportadores específicos, como CD36, FATs e FABPs (para AG, MAGs, e outros), e NPC1L1 (para colesterol), entre outros.

7. No estado alimentado, ocorre aumento transitório da glicemia? Caso positivo, qual(is) a(s) principal(is) resposta(s) hormonal(is) e sua(s) consequência(s) fisiológica(s)?

Sim, ocorre aumento transitório da glicemia. As principais respostas são o aumento da insulina e a redução do glucagon e corticoides circulantes, com consequente aumento da captação de glicose por fígado e tecidos periféricos (músculo esquelético/cardíaco e tecido adiposo principalmente), e aumento da glicogenogênese e da lipogênese, além de outros efeitos anabolizantes da insulina.

8. De modo resumido, como o estímulo da insulina é transmitido nas células?

Através da ligação da insulina à porção extracelular dos receptores de insulina, do tipo tirosina-quinase (RTKs), ocorre o disparo de uma cascata intracelular de sinalização, desencadeada pela autofosforilação do receptor e pela subsequente ligação e fosforilação de proteínas do tipo IRS (Insulin Receptor Substrates) 1-4, que por sua vez modularão diversas e complexas cascatas intracelulares de sinalização, que resultarão nos efeitos sistêmicos da insulina.

9. Fígado, tecido adiposo e músculos aumentam sua captação de glicose como resposta à insulina. Estes efeitos similares dependem da ligação da insulina ao mesmo tipo de receptores, mas desencadeiam diferentes respostas celulares/teciduais para a captação de glicose. Qual a base bioquímica/fisiológica para essa diferença?

Enquanto a insulina, ao atuar no fígado, atua modulando positivamente o fluxo glicolítico e a síntese de glicogênio, bem como a lipogênese, sem mexer na distribuição do GLUT2 (de baixa afinidade e continuamente presente na membrana dos hepatócitos), em miócitos e adipócitos a insulina leva à exposição do GLUT4, transportador de alta afinidade e que sofre ciclos de exposição/internalização entre os estados alimentado/jejum, modulados hormonalmente. Em miócitos e adipócitos a exposição do GLUT4 aumenta transitoriamente a captação de glicose, favorecendo neles, respectivamente, a glicogenogênese e a lipogênese.

10. No fígado, a glicose captada no estado alimentado poderá seguir vários destinos metabólicos nos próprios hepatócitos. Quais são esses (inclua mesmo que a glicose seja degradada ou transformada em outros compostos)?

No estado alimentado, no fígado a glicose captada será usada para glicólise e fosforilação oxidativa e via das pentoses-fosfato (para produção de energia e equivalentes redutores), para síntese de glicogênio (glicogenogênese) e síntese de ácidos graxos e triglicerídeos (armazenamento), além de síntese de colesterol.

11. Como, e por que, a glicogenogênese e a glicogenólise são reciprocamente reguladas?

A glicogenogênese e a glicogenólise são reciprocamente reguladas para evitar ciclos fúteis, e regular corretamente a glicemia. Isso ocorre graças à ação hormonal de insulina, glucagon e adrenalina (além de cortisol) que, através de ligação a receptores específicos, desencadeiam respostas celulares que modulam reciprocamente a atividade das enzimas reguladoras responsáveis por essas vias.

12. Nas hemácias e no fígado, a via das pentoses-fosfato produz NADPH, a partir da etapa catalisada pela G6PD, e dela em diante. Quais são os diferentes destinos metabólicos que você conhece, em hemácias e em hepatócitos, para esse NADPH?

Em hemácias, principalmente, o NADPH produzido pela via das pentoses fosfato será usado pela glutationa redutase para regenerar a glutationa reduzida, necessária para a ação da glutationa peroxidase, que neutraliza peróxidos e hidroperóxidos nessas células (como H₂O₂), evitando dano oxidativo aos eritrócitos e mantendo sua função de transporte de oxigênio para os tecidos e remoção de CO₂. Nos hepatócitos, além desse uso, o NADPH será usado em vários processos biossintéticos, principalmente a síntese de ácidos graxos (no estado alimentado), e diversos processos de desintoxicação, como metabolismo de heme e produção de sais biliares.

13. Qual a relevância patológica da deficiência de G6PD?

A deficiência de glicose-6-fosfato desidrogenase (G6PD) é uma doença hereditária recessiva ligada ao cromossomo X. Frequentemente desencadeia crises de anemia hemolítica, pela exposição a compostos provenientes da dieta ou a fármacos, levando a fraqueza crônica e icterícia. É a doença hereditária mais prevalente na espécie humana, e por ser ligada ao X, afeta principalmente o sexo masculino.

14. Quais são os destinos (finalidades) da glicose liberada pela glicogenólise hepática e pela glicogenólise muscular?

A glicogenólise hepática visa manter a glicemia em geral, alimentando hemácias, sistema nervoso e tecidos periféricos, enquanto a glicogenólise muscular visa prover glicose para o exercício muscular em anaerobiose ou em curtos “surtos” de atividade muscular, como fuga ou perseguição.

15. Por que a manutenção da glicemia (nem hiper, nem hipoglicemia) é tão importante para nosso organismo?

A hipoglicemia leva a disfunções no SNC e nervos periféricos, além de levar a disfunção e hemólise das hemácias e, consequentemente, prejuízos na troca gasosa, ocasionando assim desde fraqueza e confusão mental até a morte do indivíduo. Já a hiperglicemia, apesar de no curto prazo ser menos grave (apesar de também produzir efeitos colaterais visíveis), se mantida cronicamente terá ação deletéria devido à formação de produtos de glicação avançada (AGEs), que além de levar à disfunção de proteínas plasmáticas e receptores, leva à ativação de respostas inflamatórias sistêmicas por ligação a receptores de AGEs (RAGEs).

16. Como, e a partir de que, no estado alimentado, os hepatócitos são capazes de sintetizar ácidos graxos (no citosol) e, ao mesmo tempo, são capazes de inibir a oxidação mitocondrial de ácidos graxos? Qual a relevância fisiológica disso?

No estado alimentado, o Ac-CoA produzido em excesso no fígado a partir da degradação de glicose e de aminoácidos presentes na dieta, será exportado ao citosol, onde será convertido em Malonil-CoA pelas enzimas ACC1 (citossólica) e ACC2 (membrana mitocondrial). O Malonil-CoA citossólico, junto com Ac-CoA (que chegou ao citossol via sistema da lançadeira do citrato), será usado pela ácido graxo-sintetase como substrato para a síntese citossólica de ácidos graxos. Enquanto isso, o Malonil-CoA produzido nas membranas mitocondriais pela ACC2, inibirá a oxidação de ácidos graxos, pois Malonil-CoA inibe a atividade da enzima CPT1, necessária para o transporte de ácidos graxos de cadeia longa através da membrana mitocondrial, o que inibe a β-oxidação de ácidos graxos no estado alimentado.

17. Como os triglicerídeos e o colesterol sintetizados no fígado são distribuídos para o organismo?

Através de transporte realizado por lipoproteínas plasmáticas, que são complexos moleculares de proteínas e lipídeos sintetizados pelo retículo endoplasmático dos hepatócitos, e que ao ser exocitados proporcionam uma interface solúvel que permite o transporte de lipídeos no plasma, normalmente impedindo sua deposição na parede dos vasos. Os tecidos periféricos apresentam receptores que reconhecem seletivamente as apoproteínas da porção proteica das lipoproteínas, permitindo a delipidação seletiva por lipólise e absorção dos lipídeos transportados.

18. O que são, e quais são as lipoproteínas plasmáticas?

São complexos moleculares formados por proteínas e lipídeos, que permitem o transporte de lipídeos no plasma. Elas são classificadas em quilomícrons (produzidos pelos enterócitos durante o estado alimentado), quilomícrons remanescentes (resultado da delipidação dos quilomícrons), VLDLs (produzidas pelos hepatócitos a partir de lipídeos da dieta ou sintetizados “de novo”), IDL e LDL (delipidação do VLDL), e HDL (cujas proteínas principais são produzidas no fígado e intestino), que efetua o transporte reverso de colesterol.

19. Qual a diferença de origem e função de quilomícrons e VLDL no metabolismo de lipídeos?

Quilomícrons têm origem intestinal, são produzidos no estado alimentado, são coletados para a linfa e transportados via tronco linfático até a veia subclávia esquerda, que os leva para a circulação via coração e sangue arterial, deste modo evitando o fígado e distribuindo sua carga aos tecidos periféricos ANTES de chegar ao fígado, delipidados como quilomícrons remanescentes. VLDL têm origem hepática, e distribuem ao organismo lipídeos remanescentes da dieta ou sintetizados “de novo”, tendo sua composição, produção e distribuição regulada pelo fígado.

20. Existe colesterol bom e colesterol ruim? Ou isso é uma simplificação para o público leigo? Explique.

Não existe colesterol bom ou ruim, colesterol é colesterol, um lipídeo peculiar e necessário a todas as células e também como precursor de hormônios esteroidais. Quando associado a LDL, o colesterol apresenta maior risco de oxidação e deposição na parede dos vasos, formando placas de ateroma através de um processo complexo que envolve a fagocitose do LDL oxidado por macrófagos e o desenvolvimento de uma complexa reação inflamatória. Quando associado a HDL, o colesterol é transportado de volta ao fígado, e seu excesso poderá ser transformado em sais biliares (para excreção) ou excretado diretamente por via biliar, protegendo o organismo. Assim, para o público leigo, simplificadamente o HDL é chamado de “bom colesterol”, e o LDL, de “mau colesterol”.

21. Quais as vantagens de armazenar energia na forma de gordura?

Gordura ocupa pouco volume, e pouca massa, por ser hidrofóbica. Brinda ainda isolamento térmico e físico. É formada principalmente por TAGs, compostos por ácidos graxos esterificados a glicerol. Ácidos graxos são muito reduzidos, logo sua oxidação a CO₂ e água libera grande quantidade de energia química.

22. Qual o destino do piruvato em anaerobiose? Qual a importância dessa transformação? Por que hemácias, mesmo em aerobiose, também fazem essa transformação?

Em anaerobiose, o piruvato é reduzido a lactato pela LDH, consumindo assim NADH e regenerando o NAD⁺, necessário para a continuidade da via glicolítica nas células, onde 2 NAD⁺ são necessários, gerando 2 NADH e 2 ATP para cada glicose processada (em anaerobiose ou não). Se em anaerobiose o piruvato não fosse reduzido a lactato pela LDH, a glicólise cessaria quase imediatamente, impossibilitando a contração muscular. Hemácias, por ser estritamente glicolíticas, produzem lactato em seu metabolismo normal.

23. Por que, em exercício anaeróbico, o músculo esquelético é incapaz de oxidar ácidos graxos?

Porque a β-oxidação de ácidos graxos libera Ac-CoA, cujo destino catabólico seria o ciclo de Krebs e o sistema de transporte de elétrons (STE) mitocondrial, convertendo assim o Ac-CoA a CO₂ e H₂O, com oxigênio como aceptor de elétrons do STE, gerando um gradiente de prótons, e produzindo ATP no complexo V (ATP-sintase). Sem oxigênio, o STE para, sendo incapaz de bombear os prótons necessários para a criação do gradiente eletroquímico usado para a síntese mitocondrial de ATP.

24. No jejum, glucagon, catecolaminas (nor/adrenalina), além de glicocorticoides, regulam o metabolismo geral, mantêm a glicemia, e promovem mobilização de gordura dos adipócitos. Como isso é sinalizado?

Glucagon e catecolaminas são hormônios que se ligam a receptores do tipo GPCR, associados a proteínas G. Neste caso, a ativação da proteína G leva a ativação da adenilato-ciclase, promovendo aumento do cAMP citossólico, por sua vez levando a ativação de PKA, que promoverá fosforilação de proteínas específicas, como a lipase hormônio-sensível em adipócitos e a fosforilase do glicogênio no fígado (e nos músculos), promovendo ativação dessas enzimas, entre outras, e aumentando assim a lipólise e mobilização de gordura e tendo efeito glicemiante (no fígado).

25. Descreva, brevemente, adaptações que você conhece do metabolismo hepático durante o jejum prolongado.

As adaptações no jejum são: ativação da glicogenólise e da gliconeogênese hepáticas para manter a glicemia, degradação de proteínas e aminoácidos para gliconeogênese (glicemia) e oxidação, lipólise para provimento de ácidos graxos e síntese hepática de corpos cetônicos, e mudanças de perfil metabólico de músculos e tecido nervoso, este último para um perfil de consumo majoritário de corpos cetônicos e pouca glicose, preservando assim a glicose para o uso por células estritamente glicolíticas, como hemácias e medula renal.

26. Descreva, brevemente, as adaptações que você conhece do perfil metabólico energético dos diferentes órgãos humanos durante o jejum prolongado.

Veja a figura abaixo.

27. O que são, onde, e como são produzidos os corpos cetônicos?

Corpos cetônicos são como pequenos condensados de acetato ou minilipídeos para exportação, hidrossolúveis, produzidos a partir do grande volume de Ac-CoA derivado da oxidação de ácidos graxos pelas mitocôndrias hepáticas no estado de jejum prolongado. Nas mitocôndrias, dois Ac-CoA são condensados pela enzima tiolase, produzindo acetoacetil-CoA; depois outro Ac-CoA é adicionado pela HMG-sintase, e finalmente a HMG-CoA liase libera acetoacetato e AcCoA. O acetoacetato assim gerado pode ser liberado para a circulação diretamente para ser captado pelos tecidos periféricos, ou pode ainda ser reduzido a β-hidroxibutirato, regenerando NAD⁺.

28. Apesar de não termos discutido profundamente a gliconeogênese, você sabe da sua importância e da sua necessidade para manter a glicemia do organismo no jejum prolongado. Quais são as possíveis, e as principais fontes de esqueletos de carbono usadas para realizar a gliconeogênese?

Glicerol (degradação de TAGs), lactato (metabolismo de hemácias e muscular), e esqueletos carbônicos de aminoácidos.

29. Onde é realizada a gliconeogênese?

No citosol das células hepáticas e no córtex renal (há evidências que o intestino pode ter também papel relevante na gliconeogênese em jejum).

30. Por que, no jejum, o fígado é capaz de liberar glicose para o plasma, seja ela proveniente de glicogenólise ou gliconeogênese, enquanto o músculo é incapaz disso?

Porque o fígado expressa a enzima glicose-6-fosfatase, capaz de desfosforilar a glicose-6-fosfato resultante da glicogenólise ou da gliconeogênese, liberando glicose no citosol dos hepatócitos que, assim, poderá sair das células para o plasma via GLUT2. Células musculares não expressam essa enzima, logo não desfosforilam a G6P, e ainda por cima, o GLUT4 das células musculares está ausente das membranas no jejum (a não ser quando for submetido ao exercício intenso), sendo impossível para o músculo exportar glicose. (Obs.: o lactato produzido pelo músculo em exercício anaeróbico pode ser exportado para o plasma, e assim ser usado pelo fígado para a gliconeogênese, em um mecanismo indireto).

31. Por que o exercício aeróbico intenso, mesmo em baixa de insulina, é capaz de aumentar a captação de glicose plasmática em músculo esquelético e cardíaco? E por que em jejum isso poderia produzir hipoglicemia?

Porque, como mencionado acima, exercício é capaz de promover a exposição do GLUT4 na membrana do músculo esquelético, mesmo em jejum, de modo a prover glicose para momentos de explosão muscular ou alta demanda de trabalho. O problema é que, em jejum, isso retira glicose do plasma, levando a uma possível hipoglicemia. Por isso exercícios pesados em jejum podem levar um indivíduo a “passar mal” por hipoglicemia...