Bioenergética do Exercício Do slide nº1 ao 20 aula dada dia 14/03/2006

Glicólise: principais reações PFK Glicose ATP Frutose-6-fosfato HK Lactato Glicose-6-fosfato NADH LDH Glicogênio Acetil CoA PDH Frutose 1,6 difosfato Denomina-se glicólise uma série de reações que convertem a glicose-6-fosfato em piruvato. A glicose-6-fosfato pode ser produzida a partir de dois principais substratos: 1) o glicogênio armazenado no músculo, que é fosforilado a glicose-1-fosfato pela enzima fosforilase, e convertido a glicose-6-fosfato. 2) glicose extracelular, captada por um mecanismo de difusão facilitada, mediada por uma família de moléculas conhecidas como GLUT. No músculo, em particular o transportador envolvido é o GLUT4. A glicose assim captada é fosforilada pela enzima hexoquinase (HK), formando a glicose-6-fosfato. Dentre os dois substratos, o glicogênio é mais prontamente disponível para a glicólise, de modo que nó início do exercício, este é o substrato preferencial. A glicólise prossegue com a conversão de glicose6-fosfato em frutose-6-fosfato, e este em frutose-1,6-difosfato. Esta última, catalizada pela fosfofrutoquinase (PFK) é essencialmente irreversível e considerada a etapa mais importante da glicólise. A PFK sofre modulação alostérica de diferentes substratos envolvidos no metabolismo energético. Como moduladores positivos, que aceleram a reação, podem-se destacar o ADP e alcalinidade. ATP, citrato e acidez tendem a inibir a atividade da PFK. O ponto final da glicólise pode ser considerada a reação da piruvatoquinase (PK) que cataliza uma reação irreversível de formação do piruvato a partir do fosfoenolpiruvato. Do ponto de vista energético, a glicólise até a formação do piruvato, ressintetiza o ATP diretamente a partir do ADP e indiretamente formando NADH2, uma coenzima extremamente importante para o fornecimento de energia. Piruvato Fosforilase

Glicólise: principais reações Glicogênio Fosforilase HK Glicose Glicose-6-fosfato Frutose-6-fosfato PFK Frutose 1,6 difosfato NADH Denomina-se glicólise uma série de reações que convertem a glicose-6-fosfato em piruvato. A glicose-6-fosfato pode ser produzida a partir de dois principais substratos: 1) o glicogênio armazenado no músculo, que é fosforilado a glicose-1-fosfato pela enzima fosforilase, e convertido a glicose-6-fosfato. 2) glicose extracelular, captada por um mecanismo de difusão facilitada, mediada por uma família de moléculas conhecidas como GLUT. No músculo, em particular o transportador envolvido é o GLUT4. A glicose assim captada é fosforilada pela enzima hexoquinase (HK), formando a glicose-6-fosfato. Dentre os dois substratos, o glicogênio é mais prontamente disponível para a glicólise, de modo que nó início do exercício, este é o substrato preferencial. A glicólise prossegue com a conversão de glicose6-fosfato em frutose-6-fosfato, e este em frutose-1,6-difosfato. Esta última, catalizada pela fosfofrutoquinase (PFK) é essencialmente irreversível e considerada a etapa mais importante da glicólise. A PFK sofre modulação alostérica de diferentes substratos envolvidos no metabolismo energético. Como moduladores positivos, que aceleram a reação, podem-se destacar o ADP e alcalinidade. ATP, citrato e acidez tendem a inibir a atividade da PFK. O ponto final da glicólise pode ser considerada a reação da piruvatoquinase (PK) que cataliza uma reação irreversível de formação do piruvato a partir do fosfoenolpiruvato. Do ponto de vista energético, a glicólise até a formação do piruvato, ressintetiza o ATP diretamente a partir do ADP e indiretamente formando NADH2, uma coenzima extremamente importante para o fornecimento de energia. Piruvato Lactato ATP LDH PDH Acetil CoA

Glicólise: destino do piruvato NAD Lactato Fosforilação Oxidativa NADH Acetil CoA PDH NADH Duas etapas da glicólise são catalizadas por desidrogenases, que reduzem NAD a NADH. Essas duas reações estão próximas ao equilíbrio, de modo que alterações nas concentrações de NAD e NADH podem afetar a velocidade da reação. Diminuição na concentração de NAD e aumento na de NADH2 diminuem a velocidade da glicólise. Dois importantes mecanismos concorrem para oxidar o NADH2 a NAD, restaurando a relação entre elas: 1) reação da lactato desidrogenase: o piruvato pode ser reduzido a lactato no citoplasma, reoxidando o NADH. 2) fosforilação oxidativa (transporte de elétrons ou cadeia respiratória): envolve uma série de reações mitocondriais de oxido-redução, que liberam energia para a ressíntese do ATP e envolvem o consumo de O2. Note que em ambos mecanismos há consumo de piruvato e reoxidação de NADH2 para NAD. Assim, ambos favorecem a continuação da glicólise, graças à redução nas concentrações de produtos e aumentando a de pelo menos um substrato. Pode-se dizer que o organismo tem “preferência” pela fosforilação oxidativa. Entretanto, a velocidade máxima dessas reações é relativamente baixa, de modo que, quando a glicólise está exacerbada, há desequilíbrio entre a formação de piruvato e a sua remoção. Neste caso, a reação da lactato desidrogenase é ativada, com consequente formação de lactato. Glicólise LDH DH NAD Piruvato

Glicólise: destino do piruvato DH NADH Lactato NAD LDH Piruvato NAD Duas etapas da glicólise são catalizadas por desidrogenases, que reduzem NAD a NADH. Essas duas reações estão próximas ao equilíbrio, de modo que alterações nas concentrações de NAD e NADH podem afetar a velocidade da reação. Diminuição na concentração de NAD e aumento na de NADH2 diminuem a velocidade da glicólise. Dois importantes mecanismos concorrem para oxidar o NADH2 a NAD, restaurando a relação entre elas: 1) reação da lactato desidrogenase: o piruvato pode ser reduzido a lactato no citoplasma, reoxidando o NADH. 2) fosforilação oxidativa (transporte de elétrons ou cadeia respiratória): envolve uma série de reações mitocondriais de oxido-redução, que liberam energia para a ressíntese do ATP e envolvem o consumo de O2. Note que em ambos mecanismos há consumo de piruvato e reoxidação de NADH2 para NAD. Assim, ambos favorecem a continuação da glicólise, graças à redução nas concentrações de produtos e aumentando a de pelo menos um substrato. Pode-se dizer que o organismo tem “preferência” pela fosforilação oxidativa. Entretanto, a velocidade máxima dessas reações é relativamente baixa, de modo que, quando a glicólise está exacerbada, há desequilíbrio entre a formação de piruvato e a sua remoção. Neste caso, a reação da lactato desidrogenase é ativada, com consequente formação de lactato. PDH Fosforilação Oxidativa Acetil CoA

Ciclo ATP: oxidação A T P D CP Lactato Glicogênio Glicose Glicólise Ciclo de Krebs O2 CO2 As vias oxidativas são as vias mais eficientes do ponto de vista do rendimento energético. Para efeito de comparação, uma molécula de glicose pode fornecer, através da glicólise não oxidativa, com formação de lactato, apenas 2 moléculas de ATP. No entanto, a oxidação completa da glicose, com consumo de oxigênio e formação de dióxido de carbono e água, fornece 36 moléculas de ATP por molécula de glicose. Além da glicose e glicogênio, gorduras e proteínas podem fornecer energia através da oxidação. Embora esses substratos apresentam particularidades na metabolização, há reações que são comuns: 1) o ciclo de Krebs ou dos ácidos tricarboxílicos e 2) a forforilação oxidativa.

Ciclo de Krebs Piruvato Acetil CoA CoA Oxalacetato Citrato CO2 H+ Glicogênio Glicólise Oxidação Ciclo de Krebs O2 CO2 Glicose CP Lactato Oxalacetato Citrato O ciclo de Krebs se inicia com a condensação da acetil-CoA com o oxalacetato, pela enxima citrato sintase( CS), formando citrato. Este citrato percorre uma série de reações enximáticas etermina com a formação de oxalacetato, utilizado na reação da CS. Ao longo dessas reações são formadas moléculas de CO2 e elétrons, com os prótons correspondentes, os quais oxidam as coenzimas NAD e FAD. A acetil-CoA é formada durante a metabolização de carboidratos, gorduras e proteínas. O piruvato formado na glicólise sofre ação enzimática da piruvato desidrogenase (PDH), quando perde carbono na forma de CO2 e forma NADH2. A metabolização da gordura envolve uma via denominada -oxidação, que remove dois átomos de carbono dos ácidos graxos livres, formando acetil-CoA. Já as proteínas sofrem uma hidrólise (quebra) para formação de aminoácidos. Cada aminoácido apresenta uma sequência particular de metabolização até a formação de acetil-CoA ou algum intermediário do Ciclo de Krebs. CO2 H+

Desidrogenases do Ciclo de Krebs As desidrogenases catalizam reações de oxido-redução, e envolvem a transferência de elétrons (e-) a coenzimas, formando coenzimas reduzidas (coenzima-H). Coenzimas-H iniciam a cadeira respiratória, consumindo O2 e produzindo H2O e ATP Coenzimas e desidrogenases do Ciclo de Krebs NAD IDH KGDH MDH FAD SDH O ciclo de Krebs apresenta três desidrogenases que tem o NAD como coenzima: isocitrato desidrogenase (IDH), -cetoglutarato desidrogenase (-KGDH) e malato desidrogenase (MDH). Uma desidrogenase do ciclo de Krebs utiliza o FAD como coenzima: succinato desidrogenase (SDH). Dentre essas desidrogenases, a IDH e -KGDH apresentam uma atividade muito baixa e sofrem modulação alostérica, particularmente das concentrações de ATP e ADP. Deste modo, embora alguns altores considerem a CS a enzima chave do Ciclo de Krebs, essas duas desidrogenases parecem exercer um papel fundamental no controle da oxidação.

A cadeia respiratória ATP ATP ATP FADH2 FAD Q Cit c3+ H2O NAD QH2 Os elétrons (e os prótons correspondentes) das coenzimas reduzidas são transferidas a outras coenzimas da fosforilação oxidativa. O aceptor final para esses elétons e prótons é o oxigênio, com a formação de água. Em algumas dessas passagens, são liberadas grandes quantidades de energia que são utilizadas para a ressíntese do ATP. Se a fosforilação oxidativa se iniciar no NADH2 haverá três sítios de formação de ATP, contudo se envolver a FADH2 haverá apenas dois sítios. Deste modo para cada volta no ciclo de Krebs, uma molécula de acetil-CoA poderá produzir 3 NADH2 e 1 FADH2, de modo que haverá possibilidade de formar 11 ATP. Se considerarmos que uma molécula de glicose pode produzir seis moléculas de acetil-CoA, poderemos ter a formação de 33 moléculas de ATP. Além disso, na oxidação completa, 2 moléculas de NADH2 são formadas durante a glicólise, podendo acrescentar mais 6 moléculas de ATP. Esses cálculos ilustram a enorme importância da fosforilação oxidativa. 1/2 O2 NADH+H+ Q Cit c2+

Mecanismos de Controle do Metabolismo Energético Via metabólica Mecanismo de Controle CP Ação de Massas Glicólise PFK - ATP/ADP Vimos 3 vias básicas para a ressíntese de ATPs durante o exercício. Obviamente, a velocidade da ressíntese da ATP deve estar finamente controlada de modo a atender a exata demanda do exercício. Todas as reações relacionadas com o metabolismo energético tem como principal regulador, as concentrações de ATP e ADP, cuja proporção deve ser mantida em valores que possibilitam o aproveitamento da energia. Oxidação KGDH - ATP/ADP

Metabolismo no exercício: intensidade e duração Alta Curta A T P D Glicogênio Glicólise Oxidação Ciclo de Krebs O2 CO2 Glicose CP Lactato Intensidade Duração Baixa Longa

Metabolismo no exercício: duração 50 100 150 200 250 20 40 60 80 Aeróbio Glicólise Imediata % Potência Tempo (s) A T P D Glicogênio Glicólise Oxidação Ciclo de Krebs O2 CO2 Glicose CP Lactato