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Metabolismo dos carbohidratos e das gorduras

no exercício físico

Departamento de Bioquímica da Faculdade de Medicina do Porto

ruifonte@med.up.pt

A contração de uma fibra muscular é uma consequência da despolarização da

membrana sarcoplasmática. Esta despolarização origina-se na ligação da acetilcolina

libertada no terminal do axónio motor aos recetores nicotínicos da membrana pós-

sináptica da placa motora.

2

Com origem no retículo sarcoplasmático(e no meio extracelular)o Ca2+ move-se para o citoplasma.

A [Ca2+] citoplasmática ↑ 100 vezes (0,1 µM → 10 µM)

A contração termina quando o Ca2+ é bombeado para o interior do retículo sarcoplasmático e para o meio extracelular (ATPases do Ca2+) regressando às concentrações de repouso.

(A [Ca2+] também ↑ na mitocôndria)

Filamentos grossos (miosina)

Filamentos finos (actina, tropomiosina, troponina) Sarcómero distendido

Sarcómero contraído

Ca2+ ligado a troponina C⇒ ligação actina-miosina…

ATP + H2O

ADP + Pi

A contração muscular é o resultado do deslizamento entre os filamentos finos e grossos com aumento do grau de sobreposição entre estes filamentos ⇒encurtamento do sarcómero e das miofibrilas.

O processo de contração/relaxamento consome ATP: - ATPase da miosina- ATPase do Ca2+

Os músculos são “máquinas” que convertem energia química em movimento.

Ca2+

3

ATPase da miosina

4

0,28

18,9

46,2

1,12

21

49

0

10

20

30

40

50

60

descanço maratona sprint de 100 m

Despesa

energética

(kcal/min)

músculo esquelético

organismo

25%

90%

94%Despesa

energética nos

músculos/min Despesa

energética total/min

A razão…

Esta razão é, em repouso, de ≈≈≈≈ 25% e aumenta com o exercício. É maior nos exercícios de tipo anaeróbico (até ≈≈≈≈ 94%) que nos de tipo aeróbico (até ≈ 90%), aumentando com a intensidade do exercício.

A despesa energética do organismo como um todo é, maioritariamente, o somatório:

despesa energética basal (BMR) + despesa associada ao exercício físico.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

BMR dormir barrer ochão

caminhar 5km/h

"jogging" maratona sprint 100m

Despesa

energética

total

(kcal/min)

Se considerarmos o organismo como um todo 1- um atleta durante a maratona tem uma despesa ≈ 20 xs superior à basal.2- um sprinter enquanto corre os 100 m tem uma despesa ≈ 50 xs superior à basal.

1,1 kcal/min

O ATP (5 mM) que está presente nas fibras musculares só seria capaz de manter a

contração muscular durante uma fração de segundo ou poucos segundos mas,

mesmo quando o exercício físico é intenso, a concentração de ATP praticamente não

varia. Cada molécula de ATP que sofre hidrólise é imediatamente reposta. Como?

Fosfo-creatina

Creatina

ADP

ATP

Glicogénio

G1P

lactato

ADP

ATP

VLDL no plasma

G6PADP

ATP

Glicogénio

G1P

CO2

TAG

das próprias

fibras

(triacilgliceróis

intramiocelulares)

ADP

ATP

CO2CO2

TAG do tecido adiposo

FFA

ADP

ATP

CO2

no plasma

Acil-CoA

Lípase de lipoproteínas

Acil-CoAADP

ATPCO2

FFA

no plasma

Acil-CoA

Os aminoácidos têm um contributo relativamente pequeno: talvez 1-5% da energia (?) 5

A maioria das atividades inclui exercícios de vários tipos (anaeróbico, aeróbico e

misto), mas é útil fazer a distinção entre exercício aeróbico e anaeróbico.

Tipo de exercício anaeróbico aeróbico

Exemplos halterofilismo, sprint de 100 m, saltos, rematar com força

caminhar, correr (por exemplo, a maratona)

Irrigação e consumo de O2

dos músculos implicados

Aumento nulo ou irrelevante Aumento muito marcado (pode ser de 100 xs)

Substituição do ATP

hidrolisado dependente

de...

Fosfocreatina, glicogénio armazenado nos músculos em contração e glicólise anaeróbica

Oxidação completa (a CO2) de nutrientes armazenadosno músculo, mas tb no tecido adiposo e no fígado

Potência (energia

gasta/unidade de tempo)

Muitíssimo elevada; nas fibras em contração, o gasto de ATP pode ser 300 xs superior ao de repouso

Menos elevada que no anaeróbico mas, quando a intensidade é elevada (taxa de consumo de O2 elevado),nas fibras em contração, o gasto de ATP pode ser 130 xssuperior ao de repouso

Duração Curta Pode ser longa

Tipo de fibras

predominantemente

implicadas

Tipo II (brancas, glicolíticas ou de contração rápida)

Tipo I (vermelhas, oxidativas, ou de contração lenta)

6

Nos exercícios de tipo anaeróbico, a ação da cínase da creatina é relevante, mas a

fosfocreatina esgota-se em alguns segundos.

ATPase da miosina

ADP ATP

Cínase da creatina

(junto da miofibrilas)

Cínase da creatina

(espaço intermembranar da mitocôndria)

matriz mitocondrialATPADP

ATPADP

creatinafosfocreatina

A reposição parcial ou total (durante o repouso) dos níveis de fosfocreatina ocorre por ação de moléculas da cínase da creatina situadas no espaço intermembranar da mitocôndria onde o quociente de reação favorece a reação inversa (a fosforilação da creatina pelo ATP).

descida da fosfocreatina em 10 s de exercício anaeróbico

10 s

H2OPi

7

ATP + H2O → ADP + Pifosfocreatina + ADP → ATP + creatina

No exercício anaeróbico, a fosforólise do glicogénio situado nas fibras musculares

que estão a contrair é muito estimulada sustentando um aumento da glicólise que

pode ficar 1000 vezes mais rápida que no repouso.

1º - O Ca2+ ↑↑↑↑ ⇒ ativação da cínase da fosforílase

2º- O aumento da hidrólise do ATP ⇒ [AMP] ↑↑↑↑

3º [Pi] ↑↑↑↑ resultante da ↓ de fosfocreatina

Fatores que contribuem para a ativação da glicogenólise:

4º - A adrenalina circulante (que aumenta durante o exercício) poderá ter algum papel facilitador via recetores β, ativação da PKA efosforilação (ativação) da cínase da

fosforílase.

Mas a adrenalina sem exercício muscular e ↑ da [Pi] NÃO provoca aumento da fosforólise.

⇒ ativação da fosforílase do

glicogénio

Glicogénio

Glicose-1-P

Pi

8

Os mecanismos que provocam a ativação da glicólise são mal conhecidos mas, pelo

menos parcialmente, são causados pela estimulação da cínase 1 da frutose-6-fosfato

pelo AMP (e inibição da frutose-1,6-bisfosfátase).

Glicose-6-P

Frutose-6-P

Frutose-1,6-BisP

Piruvato

va-vb=1

ATP

ADPH2O

Pi

va=40vb=39

va-vb=1

[AMP]↓

Glicose-6-P

Frutose-6-P

Frutose-1,6-BisP

Piruvato

va-vb=1000

ATP

ADPH2O

Pi

vb=20

va-vb=1000

[AMP]↑↑↑↑ va=1020

A contração

muscular provoca

[ADP] ↑↑↑↑ e

[AMP] ↑↑↑↑ ↑↑↑↑ ↑↑↑↑.

O AMP é ativador da cínase-1 da frutose-6-P e inibidor da frutose-1,6-bisfosfátase.

Um aumento de 25,5 vezes (1020/40) em va e a diminuição simultânea para cerca de metade

(20/39) em vb explicaria um aumento de 1000 vezes na velocidade da glicólise.9

STOP +

As atividades simultâneas da cínase-1 da frutose-6-fosfato (va) e da frutose-1,6-bisfosfátase (vb) constituiem um ciclo de substrato. A velocidade líquida no processo glicolítico é a diferença entre as velocidades das reações catalisadas (va-vb).

O exercício anaeróbico é de curta

duração porque o aumento da

velocidade da glicólise é muitíssimo mais

marcado que o aumento na atividade

das lançadeiras envolvidas no transporte

de eletrões para dentro da mitocôndria e

da cadeia respiratória. Glicose-6-P

Piruvato

Gliceraldeído-3-P

1,3-bisfosfo-glicerato

NAD+

NADH

Ácido Láctico

A descida do pH limita o tempo em que o exercício anaeróbico pode decorrer porque o pH ácido:1º -inibe a fosforílase do glicogénio e a cínase-1 da frutose-6-P2º inibe o próprio processo de contração: a saída de cálcio do retículo sarcoplasmático, a ligação do Ca2+ à troponina C e a atividade da ATPase da miosina.

Numa fibra em exercício exclusivamente

anaeróbico a glicólise aumenta 1000 xs, mas o consumo de O2 não aumenta.

Frutose-6-P

Frutose-1,6-BisP

H+

H+

10

Glicose-1-P

Glicogénio

Ca2+

ATPase

RSCa2+

Glicose → 2 ácido láctico → 2 lactato- + 2 H+

O “rendimento” (ATPs / glicose ou “resíduo de glicose” ) da glicólise anaeróbica é

baixo mas, nas fibras em contração, o fluxo glicolítico pode ser muito mais rápido

que o fluxo que pode ocorrer na cadeia respiratória.

Glicose Glicose-6-P

ATP

Frutose-6-P

Frutose-1,6-BP

ATP

2 X Gliceraldeído-3-P

2 X 1,3-bisfosfoglicerato 2 X NADH ⇔ 5

ou 3 ATP

2 X piruvato

2 X 3-fosfoglicerato

2 ATP

2 X fosfoenolpiruvato

2 ATP

2 X acetil-CoA 2 X NADH ⇔ 5 ATP

4 CO2

2 X 3 NADH +

2 X 1 FADH + 2 ATP⇔ 20 ATP

Rendimento = 34 (ou 32) – 2 =32 ou 30 ATP / glicose sanguínea oxidada

Glicose-6-P

Frutose-6-P

Frutose-1,6-BP

ATP

2 X Gliceraldeído-3-P

2 X 1,3-bisfosfoglicerato

2 X piruvato

2 X 3-fosfoglicerato

2 ATP

2 X fosfoenolpiruvato

2 ATP

2 X lactato

Rendimento = 4 – 1 =3 ATP / resíduo de glicose proveniente

do glicogénio intracelular

glicólise

anaeróbica com

origem no

glicogénio das

fibras =

3 ATPs por resíduo de glicose-1-P cindido a lactato, mas muitos ATP/min.

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Glicose-1-P

Glicogénio (n)

2 CO2

Krebs

… mas o lactato

não se perde na

urina ou nas

fezes…

Embora o tempo em que o exercício de tipo aeróbico pode manter-se dependa da

intensidade (e do treino), em geral, pode prolongar-se por horas.

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Num dado indivíduo a intensidade do exercício

aeróbico costuma medir-se como uma percentagem do VO2 máximo

Intensidade baixa ⇔≈ 25% do VO2 max

Intensidade intermédia ⇔geralmente de 45-60% do VO2 max

Intensidade alta ⇔> 80% do VO2 max

Exemplos: caminhar a 5 km/h ⇔ 4-5 kcal/min, correr a maratona ⇔ 20-25 kcal/min.A despesa energética em repouso ≈ 1,1 kcal/ min.

Exercício

anaeróbico

exercício aeróbico

Consumo de O2 mantém-se no máximo; 100 % VO2 max

No exercício aeróbico há poupança de glicogénio intramiocelular das fibras em

contração e utilização de nutrientes que estão fora das fibras musculares.

1- O rendimento em termos de ATP na oxidação de nutrientes a CO2 é muito mais elevado que na glicólise anaeróbia. (Nos primeiros minutos de um exercício aeróbico de intensidade intermédia ou alta, também há diminuição da fosfocreatina e aumento do lactato,mas a partir de um dado momento a velocidade de oxidação do lactato iguala

a sua formação: deixa de haver acumulação de lactato.)

Devido ao aumento do débito cardíaco (efeito adrenérgico β) e à vasodilatação local (efeito predominante de libertação local de vasodilatadores como a adenosina), num músculo em exercício aeróbico, o fluxo sanguíneo nos músculos em exercício pode aumentar cerca de 100 vezes.

O débito respiratório também aumenta.

Nos adipócitos, a lipólise intracelular aumenta libertando ácidos gordos livres para o plasma (NEFA = non esterified fatty acids = FFA = ácidos gordos livres plasmáticos).

A glicogenólise e a produção de glicose aumentam no fígado

2- Para além dos combustíveis presentes nas fibras musculares, o músculo usa combustíveis que estão fora do músculo.

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glicogénio

lactato

CO2

v1

v2(=v1)

As quantidades e o tipo de nutrientes oxidados durante os exercícios aeróbicos

variam com a intensidade do exercício.1- A oxidação da glicose sanguínea (= glicogénio hepático) aumenta com a intensidade do exercício.

2- O contributo do glicogénio das fibras musculares em atividade contratil aumenta muito para intensidades acima de 25% do VO2

max.

3- Entre o repouso e 25% do VO2max a oxidação dos ácidos gordos livres (FFA) aumenta, mas acima de 25% do VO2 max passa a haver diminuição.

4- A oxidação dos TAG intracelulares + TAG das VLDL (TAG=triacilgliceróis) aumenta com a intensidade, mas deixa de aumentar quando a intensidade do exercício fica acima de 50% do VO2 max.

14

0

5

10

15

20

25

0% 25% 50% 80%

kca

l/m

in

Intensidade do exercício (% VO2 max)

Glicogénio do músculo

Glicose sanguínea (glicogénio hepático)

TAG (VLDL e intramiocelular)

FFA (lipólise tecido adiposo)

5- O Quociente Respiratório aumenta quando a intensidade do exercício aumenta acima de 25% do VO2 max aproximando-se de 1 para exercícios de alta intensidade.

Repouso

Que fatores dentro dos músculos estimulam a captação e a oxidação

da glicose quando a intensidade do exercício aeróbico aumenta?

1-De forma independente da insulina, por um mecanismo que envolve a ativação da AMPK (pelo AMP ↑↑↑↑), o exercício provoca a mobilização para a membrana sarcoplasmática de moléculas de GLUT4.

3-O ↑↑↑↑ do [Ca2+] no sarcoplasma também difunde para as mitocôndrias onde a [Ca2+] também ↑.

piruvato

Acetil-CoA

H2O

PiFosfátase da desidrogénase

do piruvato

Ca2+

desidrogénase do

isocitrato

desidrogénase do

α-cetoglutarato

Ca2+NADH

Complexo I

Complexo IV

e-

O2

Síntase do ATP

ADP + Pi ATP

Ca2+

Ciclo de Krebs

5- O efeito ativador do ADP e do Ca2+ ajudam a explicar o aumento da oxidação de todos os

nutrientes (que, em todos os casos, é sempre maior durante o exercício que no repouso).

2- [AMP] ↑↑↑↑ ⇒ ↑ da cínase 1 da frutose-6-P e ↓ da fosfátase da frutose-1,6-BisP.

ADP ↑

4- O [ADP] ↑ e ativa a síntase do ATP.

A captação e a oxidação da glicose sanguínea aumentam com a intensidade do

exercício, mas não é frequente haver hipoglicemia durante o exercício físico.

Normalmente a glicemia mantêm-se “estacionária” porque a produção hepática de glicose aumenta de forma paralela à custa do aumento da glicogenólise (a gliconeogénese praticamente não varia durante o exercício).

As catecolaminas podem estimular diretamente a glicogenólise hepática (via PKA). No entanto, apesar de haver aumento da produção de catecolaminas durante o exercício, a convicção atual é que não têm um papel direto na produção hepática de glicose durante o exercício.

Hodgetts e col. (1991) JAP 445

Que fatores provocam a mobilização do glicogénio hepático?

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Adrenalina ↑ + estimulação simpática↑

[glicagina][insulina]

↑

no plasma

glicogénioInibição da produção de insulina nas células β

Em exercícios de baixa intensidade os

ácidos gordos plasmáticos (FFA) são o

principal combustível dos músculos em

exercício aeróbico.

Que fatores poderão ajudar a explicar este aumento de consumo de ácidos gordos livres plasmáticos?

A [FFA] no plasma mantém-se estacionária porque quer o ↑↑↑↑ da adrenalina e noradrenalina, quer a ↓↓↓↓ da insulina contribuem para o aumento da lipólise

Dentro dos músculos:

1- ↑↑↑↑ da irrigação sanguínea ⇒⇒⇒⇒ ↑ oferta de ácidos gordos livres2-A ativação pelo Ca2+ das desidrogénases do ciclo de Krebs, dos complexos da cadeia respiratória e síntase do ATP estimulam a oxidação dos ácidos gordos.3-O ADP estimula a síntase de ATP.

O malonil-CoA intramuscular não varia

durante o exercício e, por isso, pensa-se que não tem relevância na regulação da oxidação de ácidos gordos durante o exercício físico.

(via ↑ das formas fosforiladas da lípase hormono-sensível e da perilipina).

Quando a intensidade do exercício é

elevada, ↑↑↑↑ o contributo dos carbohidratos

(glicogénio muscular e glicose sanguínea),

mas ↓↓↓↓ o contributo dos ácidos gordos

livres (FFA).

Porque é que diminui a oxidação dos FFA?

Fatores intramusculares.

1- A par da estimulação da oxidação da glicose também há aumento da glicólise e aumento da produção de lactato com descida do pH

2- O aumento do fluxo na desidrogénase do piruvato leva à acumulação de acetil-CoA que reage com a carnitina (formando acetil-carnitina)limitando a quantidade de carnitina disponível.

glicose → piruvato → acetil-CoA ↑⇒ carnitina + acetil-CoA → acetil-carnitina + CoA⇒ [carnitina] intramiocelular ↓

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↓ da oxidação em β

↓ atividade da carnitina-palmitil transférase 1

⇒

glicogénio das fibras

glicose

Quando a intensidade do exercício aeróbico

é elevada o contributo do glicogénio das

próprias fibras aumenta. Porquê?

glicogénio das fibras

A) Glicogenólise ↑. Porquê?

1º - O Ca2+ ↑↑↑↑ ⇒ ativação da cínase da fosforílase

2º- O aumento da hidrólise do ATP ⇒ [AMP] ↑↑↑↑

3º [Pi] ↑↑↑↑ resultante da ↓ de fosfocreatina

⇒ ativação da fosforílase do

glicogénio

Glicogénio

Pi

C) Oxidação do piruvato e oxidação de acetil-CoA ↑. Porquê?

Ca2+ ↑

1 – ↑ da desidrogénase do piruvato via ativação da fosfátase da desidrogénase do piruvato

2 – ativação das desidrogénases do isocitrato e do α-cetoglutarato

3 – ativação dos complexos I e IV da cadeia respiratória e da síntase do ATP

B) Glicólise ↑. Porquê?

[AMP] ↑↑↑↑ ⇒ ativação da cínase 1 da frutose-6-P e inibição da fosfátase da frutose-1,6-bisfosfato

ADP ↑

A hidrólise dos TAG acumulados nas

próprias fibras musculares (≈≈≈≈ 300 g no

total) e

a subsequente oxidação dos ácidos

gordos libertados

também contribuem para a substituição

do ATP durante o exercício aeróbico.

Pensa-se que o contributo dos TAG das VLDL para a despesa energética durante o

exercício muscular é quantitativamente pouco relevante.

O exercício físico aumenta a síntese da lípase de lipoproteínas do tecido muscular (efeito a longo prazo): este é um efeito com importância na descida das VLDL plasmáticas, mas o contributo dos TAG das VLDL para a despesa energética do músculo é irrelevante. A massa total de TAG plasmáticos num indivíduo saudável é de 3 g (1% da massa de TAG intramiocelulares). 20

Triacilgliceróis intramiocelulares (e das VLDL)

gotícula TAG

miofibrilas

Efeitos a longo prazo do exercício físico continuado no metabolismo.

1- O exercício físico aeróbico continuado aumenta a sensibilidade à insulina porque…… estimula a síntese de GLUT4 aumentado a capacidade da insulina para estimular a captação de glicose nas fibras musculares.

3- O exercício físico anaeróbico aumenta a síntese das proteínas que são componentes das miofibrilas: hipertrofia

das fibras musculares (quer as de tipo 1 quer as de tipo 2).

2- O exercício físico continuado estimula a síntese da

lípase de lipoproteínas muscular ⇒ ↓ [TAG do plasma] (das VLDL e dos quilomicra) porque acelera a sua degradação.

4- O exercício físico aeróbico não provoca hipertrofia muscular, mas aumenta a quantidade de mitocôndrias,

o transportador membranar FABPpm e

a densidade da rede capilar e

aumentando capacidade para exercícios aeróbicos. 21

FABPpmácidos gordos dentro da fibra muscular

ácidos gordos

Bibliografia usada:

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