BIOENERGÉTICA E ATIVIDADE FISICA

1. Introdução à bioenergética

A vida depende essencialmente da nossa capacidade de realizar tarefas, tais como pensar, falar, ouvir, movimentar, entre outras. Estas atividades em termos bioenergéticos são traduzidas na execução de trabalho de diferentes tipos (trabalho osmótico, trabalho de síntese, trabalho mecânico, etc). Portanto, estaremos vivos, enquanto tivermos energia para realizarmos todos os trabalhos relacionados com a manutenção da vida da célula, dos órgãos, tecidos, sistemas e do corpo. Todas estas atividades essencialmente dependem do fornecimento adequado de energia, e o sistema biológico deve constantemente ajustar a produção ao gasto energético para não comprometer a sua capacidade de realizar trabalho. O tipo de energia processado pelo sistema biológico é variável, e inclui a mecânica, elétrica, osmótica, sonora, etc. No caso da atividade física, a energia relacionada com o movimento é de natureza química, armazenada nas ligações químicas entre os átomos que formam as moléculas constituintes dos diversos alimentos (carboidratos, lipídios e proteínas). Esta energia deve ser processada e eficientemente transferida para os músculos solicitados na execução de uma determinada atividade física. A bioenergética trata exatamente dos princípios que fundamentam a realização dos processos ou reações químicas (catabolismo e anabolismo) responsáveis pela transferência de energia dos locais de produção pra os locais de consumo nos sistemas biológicos.

1.1. Atividade física e a bioenergética

A bioenergética está relacionada ao fluxo ou transferência de energia nos sistemas vivos, e assim como em outros sistemas físicos, está submetida às leis da termodinâmica, particularmente às funções termodinâmicas energia interna, entropia e energia livre. As variações da energia livre (ΔG) fornecem uma medida da possibilidade energética de uma reação química, e, portanto, permitem prever se uma determinada reação pode ou não ocorrer em um determinado sentido (espontaneidade). O conceito de espontaneidade de um processo (por exemplo, de uma reação química ocorrendo em um determinado sistema) é essencial porque permite identificar o sentido que a reação química ou o processo requer de energia do

arredor. Quando necessário, isso é feito através da transferência de energia, armazenada nos alimentos, para um sistema envolvido na execução de uma reação química ou processo. Isto irá ocorrer sempre que o sentido em que o processo ocorrer for não espontâneo ou não natural. Assim, o conceito de energia livre é essencial para se compreender o papel fundamental e exclusivo do trifosfato de adenosina (ATP) na transferência de energia química dos alimentos para os locais de consumo de energia, tais como as cabeças das moléculas de miosina (pontes cruzadas), as bombas de cálcio do retículo sarcoplasmático e as bombas Na+/K+ da membrana plasmática no caso de uma fibra muscular.

Os processos catabólicos, fornecedores de energia, permitem a execução dos processos anabólicos ou daqueles que consomem energia, como, por exemplo, a contração muscular, a síntese de proteínas, restauração de tecidos, a digestão dos alimentos, a circulação do sangue, etc. Todos esses processos representam trabalhos que o organismo executa e que são essenciais para a vida.

Durante a contração, a fibra muscular recebe energia na forma química, armazenada nas ligações químicas dos grupos fosfatos (H2PO4 = Pi) da molécula de trifosfato de adenosina (ATP). A reação de hidrólise do ATP, ao quebrar a ligação covalente, liberando o grupo fosfato (Pi) disponibiliza a energia química associada à sua ligação. A hidrólise do ATP sempre ocorre no local de consumo, financiando energéticamente a realização de um processo que consome energia. A energia armazenada nas ligações fosfatos do ATP é também utilizada para “energizar” outros substratos, promovendo assim a transferência de energia entre diferentes moléculas químicas. Há, portanto, durante a contração a transformação e/ou transferência de energia química em energia mecânica (trabalho) e calor. Portanto, podemos considerar nossos músculos como transdutores de energia (química em mecânica, elétrica em química), e conseqüentemente submetidos às leis e restrições da termodinâmica.

1.2. Definições gerais

Antes de iniciarmos o estudo da bioenergética, faz-se necessário entender claramente a definição de alguns termos importantes dentro do vocabulário específico da termodinâmica:

Energia: na Física, costuma-se definir energia como a capacidade de realizar trabalho. Todavia, essa definição não é muito esclarecedora. Se analisarmos o denominador comum em todas as atividades executadas pelo ser vivo ao longo de sua vida, tais como andar, sentir, pensar, respirar, comer, falar, correr, saltar, etc, verificaremos que todas consomem energia. Assim, os seres vivos utilizam energia para realizar diferentes atividades, ou no vocabulário da termodinâmica, trabalhos celulares. O conceito de energia é mais abstrato que o conceito de matéria, a qual podemos ver, pesar e medir diretamente. Quanto à energia só percebemos as manifestações dos seus efeitos, qual seja o movimento de uma massa no arredor. Por exemplo, os filamentos de miosina deslizando sobre os filamentos de actina, íons se movimentando através de uma membrana em resposta ao gradiente de concentração, etc. Outro modo de percebermos a energia é através dos órgãos do sentido, que detectam a presença de certos tipos de energia. Assim, os olhos detectam a presença de radiação eletromagnética com comprimentos de onda entre 380 e 750 nm (luz visível); os ouvidos detectam a vibração a presença de radiação eletromagnética de determinadas freqüências. Mas existem também outras formas de energia que o corpo humano não é capaz de detectar incluindo as ondas de rádio, a radioatividade, os neutrinos. O termo trabalho na termodinâmca tem uma conotação mais ampla que na Física: trabalho na Bioenergética é qualquer coisa que altera a posição ou o estado da matéria. Assim, a matéria no zero absoluto (-273°K) é absolutamente imóvel e imutável, ou seja, não há movimento ou mudança de qualquer tipo. Qualquer mudança ou movimento na estrutura da matéria requer o aporte de energia. Assim, a energia é medida pela quantidade de movimento ou mudança que é introduzida na matéria.

Sistema: refere-se à parte isolada do universo em que estamos interessados em estudar, ou seja, à coleção de moléculas isoladas do Universo que estão em observação. Em um sistema pode ou não estar ocorrendo um ou mais processos simultaneamente. Ao definimos um sistema, automaticamente definimos uma fronteira que o separa dos arredores. Toda e qualquer transferência ou troca de energia

sempre acontece entre o sistema e o arredor e deve obrigatoriamente ocorrer pela fronteira (região limítrofe do sistema que o separa do arredor). Exemplo: suponha que queiramos estudar o processo contração muscular. Podemos escolher como o sistema o músculo, a fibra muscular, o sarcômero, etc. Todavia, não podemos escolher o filamento de actina como o sistema, já que o filamento de actina per si não é organizado o suficiente para promover o processo de contração. A definição do sistema e identificação correta de suas fronteiras dependem do que se pretende estudar do mesmo. Existem vários tipos de sistema, e vamos chamar a atenção para dois tipos importantes para a bioenergética. O sistema isolado, que não troca nem energia e nem matéria com o arredor e a sua fronteira é inflexível; e o sistema aberto, aquele que troca energia e matéria com o arredor. O Universo é um sistema isolado, enquanto que uma célula é um sistema aberto.

Estado do sistema: é definido através das propriedades que o caracterizam naquela determinada situação. Por exemplo, no sistema biológico geralmente usamos a pressão, o volume, a temperatura, a concentração, entre outras, como propriedades para descrever o sistema. A escolha das propriedades a serem acompanhadas durante um processo recai, obviamente, sobre aquelas que são modificadas pelo processo em estudo. Exemplo: se estivermos estudando a ebulição da água, poderemos acompanhar a modificação da estrutura da água (de líquida para gasosa) em função da diferença de temperatura (o que provoca a evaporação) entre o estado inicial (água líquida) e o estado final (água gasosa). Na Bioenergética três estados são fundamentais: a) estado padrão: arbitrariamente definido como todos os componentes do sistema presentes com concentrações de 1 M, temperatura de 25°C e 1 atm de pressão. O estado padrão é utilizado para se fazer comparações energéticas entre o sistema em um estado qualquer e o seu estado padrão; b) estado de equilíbrio: correspondente ao estado energético mais provável do sistema e onde as propriedades do sistema não se alteram em função do tempo e c) estado estacionário, onde as propriedades do sistema não se alteram como o tempo porque estão sendo constantemente reconstituídas na mesma medida em que são alteradas. Voltaremos com mais detalhes sobre a importância desses estados posteriormente.

Processo: qualquer transformação sofrida pelo sistema que altere uma ou mais propriedades do sistema, passando-o de um estado energético inicial para um estado energético final. Denominamos estado inicial, o estado do sistema antes da ocorrência do processo, e estado final, o estado que o sistema adquire após o processo ter finalizado.

Funções de estado: como a Bioenergética trata das leis que regem a transferência de energia entre o sistema e o arredor, e devido às suas próprias limitações, a Bioenergética trata mais de diferenças entre o estado final e o inicial de um sistema que foi submetido a um dado processo. Não importa como ocorreu a passagem do sistema do estado inicial para o final (processo), nem o tempo necessário para a mesmo ocorrer (velocidade da reação). Por este motivo, falamos sempre de diferença entre o estado final e inicial (ΔX = Xfinal - Xinicial). Além disso, verificaremos que existem algumas propriedades do sistema que só dependem do estado em que o sistema se encontra, não importando como o sistema atingiu este estado. Estas propriedades especiais são denominadas funções de estado, e as suas variações entre o estado inicial e final serão sempre iguais, não dependendo do caminho (processo) percorrido pelo sistema para passar do estado inicial para o final. Como exemplo, a quantidade de energia liberada a partir da molécula de glicose é a mesma não importando se ela foi degradada a gás carbônico e água em um tubo de ensaio (em uma etapa só) ou no interior de uma célula (em muitas etapas ou reações químicas).

Energia interna (E): definida como o conteúdo de energia de um sistema, incluindo as energias rotacional, vibracional e translacional das moléculas, associadas à energia das ligações químicas e a energia envolvida nas interações não vinculativas (íon-íon, íon-dipolo, íon-dipolo induzido, dipolo-dipolo, dipolo-dipolo-induzido) que o compõem. Geralmente está associada à estrutura química das moléculas que constituem o sistema (organização molecular).

3. Leis da termodinâmica

A transferência de energia em um sistema qualquer (seja esse um carro, uma pedra, ou uma célula, ou o corpo humano ) está sempre submetida às leis da termodinâmica.

Primeira lei: Lei da conservação da energia: a energia do universo (sistema isolado) não pode ser criada, nem destruída, apenas transformada. Assim, a bioenergética nos diz que existem apenas duas formas de se transferir energia em um sistema aberto entre o sistema e o arredor: calor e trabalho.

ΔE = q - w

onde:

ΔE: diferença de energia interna entre o estado final e o inicial

q: calor: troca de energia entre o sistema e o arredor em função da diferença de temperatura.

w: trabalho: qualquer troca de energia entre o sistema e o arredor que o não seja por diferença de temperatura.

Portanto, calor e trabalho são formas de energia em trânsito, e dependem do modo como o processo ocorre, não sendo funções de estado, e se manifestam apenas na fronteira. Note que a definição de trabalho na Bioenergética é muito mais ampla que a definição de trabalho mecânico (força x deslocamento), e envolve qualquer tipo de deslocamento de matéria no arredor em função de um processo acontencendo no sistema. Já a energia interna é uma função de estado, e como tal, a sua variação (ΔE) entre dois estados definidos do sistema (final menos inicial) é sempre a mesma, qualquer que seja o processo que levou o sistema do estado inicial para o final.

Exercício:

1.

Exemplifique 3 sistemas sofrendo cada um deles um processo, indicando quem é o sistema, o arredor e o estado inicial e final.

2.

Aplique a primeira lei em algum exemplo prático.

3.

Aplique a primeira lei em uma fibra muscular realizando contrações concêntrica, isométrica e excêntrica de mesma intensidade. O que você conclui?

1.4. Segunda lei: Lei da entropia:

Sabemos que existe na Natureza diferentes tipos de processos entre eles os naturais. Exemplos: a água sempre cai de uma cachoeira, uma xícara de chá quente se esfria, o som é mais forte perto da fonte que o emite, etc. Por que existe esse sentido que reconhecemos como natural? Por quê uma pedra cai naturalmente de cima de um morro, mas não volta para cima do morro espontaneamente?

A Segunda Lei descreve as condições para a transferência de energia e o sentido da espontaneidade de um processo. Assim, em qualquer transformação energética espontânea (natural), a energia se desloca do nível mais elevado para o mais baixo. Como podemos verificar, todos esses processos são considerados naturais ou espontâneos. Embora a primeira lei nos diga como pode ocorrer a variação no conteúdo de energia de um sistema, ela não prevê a espontaneidade de um processo, ou seja, se esse processo é natural ou não. A segunda lei introduz o conceito de entropia, que simplesmente pode ser entendida como a qualidade da energia da qual não podemos mais obter trabalho.

Assim, em qualquer transferência de energia espontânea ou natural a variação de entropia do sistema somada à do arredor deve obrigatoriamente aumentar.

ΔStotal = ΔSarredor + ΔSsistema >0

A entropia está relacionada com o grau de desordem de um sistema (ao número de microconfigurações energéticas que um sistema pode assumir). Quanto maior o grau de desordem de um sistema, maior será a sua entropia, e menor será a sua capacidade de realizar ou trocar energia na forma de trabalho. Assim, no universo, que

é um sistema isolado, há aumento gradual da entropia à medida que processos ou transferências energéticas vão ocorrendo entre suas partes, e em conseqüência do segundo princípio, há o aumento gradual de desordem.

O estado de equilíbrio de um sistema é aquele no qual a distribuição dos microníveis energéticos das moléculas que o constitui é a maior possível, ou seja, apresenta maior entropia, portanto, é o estado mais desorganizado. Assim, intuitivamente sabemos que o estado natural é sempre o mais desorganizado e que apresenta o menor grau de restrição (ou maior grau de liberdade), e, conseqüentemente, o mais provável. Os processos naturais sempre ocorrem no sentido do sistema alcançar o estado de equilíbrio. Um sistema no estado de equilíbrio não tem mais a possibilidade de trocar energia na forma de trabalho.

Energia livre: em contraposição à qualidade entrópica da energia de um sistema, podemos inferir que existe uma qualidade organizada da energia do sistema da qual podemos tirar trabalho útil. Esta é denominada de energia livre.

Assim como a energia interna, tanto a entropia como a energia livre são funções de estado.

Conseqüência da segunda lei: quanto maior o conteúdo de energia de um sistema na forma organizada (energia livre), maior a sua capacidade de realizar trabalho, porém a probabilidade de encontrar o sistema nesta forma (estado menos estável) é baixa. Portanto, quanto mais afastado do estado de equilíbrio um sistema se encontrar, maior a sua potencialidade de executar trabalho. Pense nas conseqüências dessa lei para a sua vida. Você, nesse momento, está em equilíbrio com o ambiente ou não? Como você imagina estar a energia no seu organismo, mais na forma entrópica ou mais na forma de energia livre? Reflita em termos energéticos, qual a diferença entre um músculo sadio e um músculo estirado ou distendido?

1.5. Conceitos básicos aplicados às reações químicas: energia livre (G)

Vamos introduzir um conceito muito usado na Bioenergética que é a energia potencial química. Todo ser vivo obtém energia para a execução dos diversos trabalhos celulares utilizando a energia potencial química. Essa energia química,

encontrada nos alimentos, está armazenada nas ligações químicas entre os átomos que constituem as diversas moléculas do organismo. As ligações covalentes são formadas pelo compartilhamento de eletrons entre dois elementos químicos. Assim, cada elemento participante da ligação covalente “necessita” da estabilidade que o compartilhamento de eletrons com outro elemento fornece. Cada átomo está procurando completar a camada eletrônica mais externa com o número correto de eletrons e as ligações covalentes contribuem para isso. Assim, a energia potencial química pode ser entendida como a capacidade de produzir uma alteração molecular (ou seja, de realizar trabalho químico). Se uma molécula estiver com uma configuração muito instável (maior estado energético) é bem provável que ela mude par uma forma ou de configuração que a torne mais estável após a transformação (menor estado energético). A energia que é liberada quando da transformação para a configuração mais estável é chamada de entalpia ou calor de reação, e é a medida de como a energia química estava armazenada na molécula na conformação instável inicial. Na verdade é uma medida da diferença entre a energia química armazenada nas moléculas dos produtos e aquela armazenada nas moléculas dos reagentes. No entanto, a variação de entalpia de uma reação química não permite prever o sentido natural de uma reação química.

O sentido e a extensão de uma reação química são determinados pelo grau de alteração de dois fatores básicos. A variação de entalpia (ΔH), que é uma medida da variação do conteúdo de calor dos reagentes e produtos, medidos à pressão constante, e a variação de energia entrópica (TΔS), que reflete a variação no nível de desordem ou desorganização entre os reagentes e os produtos. A análise de qualquer um dos dois parâmetros acima isoladamente não é suficiente para prever o sentido espontâneo ou natural de uma reação química. Entretanto, quando combinadas, matematicamente, a variação de entalpia e a variação de energia entrópica podem ser utilizadas para definir uma terceira quantidade do sistema, a variação de energia livre (ΔG), que prevê o sentido no qual a reação se processa espontaneamente. Assim,

ΔG = ΔH - TΔS

onde:

ΔH: calor liberado ou absorvido do sistema durante a reação, a pressão constante

TΔS: variação da energia entrópica do sistema

ΔG : variação da energia livre do sistema, disponível para realizar trabalho

A variação na energia livre (ΔG) pode ser utilizada para prever o sentido de uma reação realizada à temperatura e pressão constantes (que é o caso das reações químicas no nosso organismo). Assim, em uma reação qualquer, se ΔG for negativo, a reação ocorre espontaneamente no sentido indicado, e é chamada de exergônica. Nesse caso, os produtos apresentam conteúdo de energia livre menor que os reagentes e apresentam estrutura mais desorganizada que os reagentes. Se ΔG for positivo, a reação não ocorre espontaneamente no sentido indicado, e é chamada de endergônica, ou seja os produtos apresentam maior conteúdo de energia livre que os reagentes. Portanto, para que a reação aconteça no sentido indicado, será necessário transferir energia do arredor para o sistema, para permitir que as moléculas dos produtos assumam uma configuração mais organizada. Finalmente, se ΔG for zero, a reação está em equilíbrio e o nível de organização dos reagentes e dos produtos são semelhantes. Assim, quando uma reação está ocorrendo espontaneamente, isto é energia livre está sendo liberada, a reação continua até ΔG se anular, quando então o equilíbrio é estabelecido. Quanto mais afastada do equilíbrio estiver os reagentes de uma reação química, maior é o potencial energético da reação, já que significa que os reagentes se encontram em uma conformação energética muito instável, e tenderão a mudar o seu estado conformacional, à procura de um estado energético menor e por isso mais estável.

Outra propriedade importante da variação de energia livre é que ela é aditiva, ou seja, em uma série de reações químicas que se processam em cadeia, com os substratos seguindo um determinado sentido (por exemplo uma via metabólica), quando a somatória das ΔG(s) de todas as reações individuais da via metabólica for

negativa, o caminho pode ser seguido espontaneamente como escrito, mesmo que um ou mais componentes individuais da via metabólica apresentem ΔG positivo (não espontâneo).

1,6. Reações químicas: armazenamento e transferência de energia na célula:

A existência de reações químicas exergônicas e endergônicas é fundamental para o metabolismo celular, pois permite a transferência de energia livre de um substrato químico para outro. A transferência de energia é feita a partir de substratos energéticos mais complexos, com maior conteúdo de energia livre (carboidratos, lipidios e proteínas), através de várias etapas (vias metabólicas contendo várias reações químicas em cadeia) para diferentes substratos com menor energia livre. Nesse caso dizemos que os substratos de menor energia livre foram energizados, ou seja, o conteúdo de energia livre foi aumentado às custas da desorganização de um substrato mais complexo. A única maneira de uma reação endegôrnica ocorrer é através do acoplamento a uma reação exergônica através de um elemento comum às duas reações. Em cada transferência, parte da energia é perdida na forma de calor e parte é conservada nas ligações químicas dos produtos, ou entregue em algum local específico da célula para reconstituir a moeda energética, o ATP (substrato de maior conteúdo de energia livre), a partir da ligação do Pi ao ADP (substrato de menor conteúdo de energia livre), para finalmente ser utilizado como combustível para realizar algum trabalho biológico (entrada e hidrólise da molécula de ATP na cabeça da miosina para provocar o deslizamento dos filamentos finos sobre os grossos no processo de contração).

Considerando o papel central das reações químicas no metabolismo celular, vamos estender a discussão sobre as mesmas.

Definição: uma reação química é um processo que permite a transformação de uma ou mais formas químicas (moléculas dos reagentes) em outras (moléculas dos produtos). A reação química depende da colisão com orientação correta entre as moléculas dos reagentes, transformando-as em produtos.

Energia de ativação: só serão capazes de realizar uma colisão, as moléculas dos reagentes que tiverem energia livre igual ou superior à energia de ativação característica da reação (barreira de ativação), ou seja, as moléculas que alcançarem o estado excitado característico de cada reação química. Apenas as moléculas de reagentes com energia superior à energia de ativação terão a capacidade de colidir para formarem o produto. Assim, o tamanho da barreira de ativação determina a velocidade da reação química. Quanto maior a barreira de ativação de uma reação química, menor será a sua velocidade.

Armazenamento de energia: nas ligações químicas que compõem as várias moléculas biológicas, por exemplo, glicogênio, ácido palmítico, ácido láctico, gordura, etc.

Ligações de alta energia: são as ligações químicas do organismo que ao serem quebradas liberam quantidade elevada de energia livre. Exemplo: ligação do grupo fosfato (Pi) na molécula de creatina, formando o fosfato de creatina.

Rreações endergônicas e reações exergônicas: reações químicas que ocorrem com variação de energia livre (ΔG) positiva ou negativa, respectivamente.

acoplamento de reações: acoplamento de duas reações químicas, uma exergônica e a outra endergônica, que ocorrem simultâneamente por possuírem um composto intermediário em comum, de modo que a energia livre liberada na primeira reação (exergônica) é utilizada total ou parcialmente para realizar a segunda (endergônica), respectivamente, e portanto:

)Gexergônica > )Gendergônica

)Gtotal = )Gexergônica - )Gendergónica < 0

Várias reações acopladas usam o ATP para gerar o composto intermediário (grupo fosfato) e promover a transferência de energia livre. Estas reações envolvem a hidrólise do ATP, que corresponde à quebra da ligação química que une o grupo fosfato à molécula de ATP, devido à entrada de água. O rompimento desta ligação disponibiliza energia livre para permitir a transferência e a ligação do grupo fosfato em

uma outra molécula bioquímica, promovendo assim a transferência de energia livre da molécula do ATP para aquela substância química em particular, que fica energizada. Por outro lado, outras reações promovem a transferência do fosfato de um composto com maior conteúdo de energia livre (por exemplo, a creatina fosfato) para o ADP, permitindo assim a produção de ATP, ou seja, fornecem a energia livre necessária para que uma reação endergônica, não espontânea, ocorra. Veremos que no catabolismo, esses acoplamentos ocorrerão em várias vias metabólicas.

1.7. Principais reações químicas do metabolismo: entre as diversas reações que ocorrem no organismo, destacamos dois acoplamentos:

- reação de fosforilação/desfosforilação: envolve a transferência de grupo fosfato inorgânico (Pi ou PO42-) entre dois substratos quaisquer. Geralmente são catalizadas por enzimas denominadas cinases. O substrato que cede o grupo fosfato sofre uma reação exergõnica, e o substrato que ganha um grupo fosfato, sofre uma reação enderg\õnica. Assim, a transferência de energia livre é feita através do grupo fosfato (o elkemento em comum das duas reaçãoes)

- reações de oxi-redução: envolvem a transferência de eletrons entre dois substratos. Assim, o substrato que sofre redução ou ganho de um par de elétrons representa a reação endergônica do acoplamento, enquanto o substrato que doou o par de eletrons sofre oxidação e é a reação exergônica do acoplamento. O elemento em comum nesse caso é o par de eletrons.

2. Enzimas

Na biologia é muito importante também a velocidade com que as reações químicas ocorrem, de modo a permitir a adaptação do metabolismo às necessidades energéticas da célula. Estas se alteram constantemente, dependendo do estado energético em que a célula se encontra. Apesar da bioenergética permitir identificar o sentido natural das reações químicas e o acoplamento entre reações exergônicas e endergônicas, ela não permite dizer absolutamente nada a respeito da velocidade das reações. De um modo geral, todas as reações químicas presentes no organismo ou

nas células ocorrem com velocidade inferior àquela necessária para atender a demanda energética celular. Daí, a necessidade de catalizadores biológicos, representadas pelas enzimas.

2.1. definição: enzimas são catalizadores biológicos (proteínas) que regulam a velocidade das reações químicas, sem interferir no mecanismo das mesmas. São as principais controladoras das velocidades das vias metabólicas.

2.2. mecanismo: diminuem a energia de ativação de uma reação química, aumentando, portanto, a sua velocidade, sem interferir com o mecanismo da mesma.

E + S ⇆ ES → EP → P + E

2.3. Propriedades:

Sítio de afinidade pelo substrato (chave-fechadura): toda enzima possui um sítio de ligação ou reconhecimento do seu substrato. Uma enzima possui maior afinidade pelo substrato quanto menor for o seu Km, isto é quanto menor a constante de dissociação da enzima pelo substrato. Este parâmetro representa a concentração de substrato na qual a velocidade de reação é igual à metade da velocidade máxima. A velocidade da reação é proporcional à concentração de enzima para qualquer concentração de substrato.

Sítio ativo ou catalítico: uma enzima contém uma região especializada em sua molécula, chamada sítio ativo, o qual possui uma superfície tridimensional complementar ao substrato. Este sítio ativo liga o substrato (portanto, contém o sítio de afinidade pelo substrato), formando o complexo enzima-substrato (ES), que é convertido em complexo enzima-produto (EP), pelo processo de catálise, que posteriormente se dissocia em enzima e produtos.

2.4. propriedades das enzimas: especificidade, saturação, competição e alosteria.

2.5. enzimas usuais no metabolismo:

quinases: acrescentam o grupo fosfato ao substrato, e portanto são responsáveis pelas reações de fosforilação.

fosfatases: removem grupos fosfatos do substratos, e portanto responsáveis pelas reações de desfosforilação.

desidrogenases: removem hidrogênios (eletrons) do substrato, e portanto, responsáveis por reações de oxidação/redução.

ATP-ases: hidrolisam o ATP, transformando-o em ADP e fosfato inorgânico (Pi), pela adiçâo de uma molécula de água.

2.6. Fatores que interferem na atividade enzimática:

pH: -log[H+], parâmetro que mede a acidez de uma solução, ou seja a concentração de íons hidrogênio livres na solução. As enzimas possuem um pH ótimo, onde apresentam atividade máxima.

temperatura: as enzimas têm uma temperatura ótima, onde a atividade é máxima, ou seja, a estrutura tridimensional correta para se ligar ao substrato.

3. Coenzimas

3.1. definição: são substâncias orgânicas complexas, geralmente as vitaminas e sais minerais, que facilitam a ação enzimática, auxiliando a sua ligação ao substrato. A enzima não funciona se não estiver presente a coenzima correspondente.

3.2. exemplos: dentre as diversas coenzimas no organismo, a nicotinamina adenina dinucleotídio (NAD/NADH) e a flavina adenina dinucleotídio (FAD/FADH2) são fundamentais dentro do metabolismo celular porque funcionam como carregadores de eletrons nos processos de oxi-redução, transportando os eletrons para a mitocondria e assim terem acesso à cadeia respiratória.

4. Combustíveis para o exercício

4.1. Carboidratos

definição: elementos constituídos de carbono, hidrogênio e oxigênio, com a seguinte fórmula geral (CH2O)n.

classificação: monossacarídios: glicose e frutose; dissacarídios: sacarose, lactose; polissacarídios:animal, glicogênio; e vegetal, amido e celulose.

produção de energia: 1g CHO/ 4kcal de energia

4.2. Lipídios

definição: elementos formados por carbono, oxigênio e hidrogênio, porém a razão hidrogênio/oxigênio é bem mais elevada que nos carboidratos.

classificação:

gorduras simples ou neutras: triglicerídios: três moléculas de ácidos graxos ligadas a uma de glicerol.

gorduras compostas: gorduras neutras combinadas com outras moléculas (fosfolipídios, lipoproteínas).

gorduras derivadas: colesterol, componente da membrana

produção de energia: 1g gordura/9 kcal de energia

4.3. Proteínas

definição: cadeia de aminoácidos, ligados entre si através de ligações peptídicas. Cada proteína possui uma seqüência pré-estabelecida de aminoácidos que está codificada no genoma da célula,. Quando a cadeia é curta, são chamados de peptídios (ex: angiotensina, bradicinina, etc). Os aminoácidos são elementos que possuem um grupo amino, um grupo ácido, um hidrogênio e um radical, de constituição química variável ligados a um carbono quartenário. Os radicais, portanto, são os que determinam as propriedades particulares de cada aminoácido.

classificação: aminoácidos essenciais e não essenciais.

aminoácidos ácidos, básicos ou neutros

aminoácidos glucogênicos e cetogênicos

aminoácidos hidrofílicos e hidrofóbicos

produção de energia: 1g proteína/4 kcal de energia.

5. Fosfatos de alta energia (fosfagênios)

- elementos que contém ligações fosfatos de alta energia

- exemplos: molécula de ATP, que é constituída de: 1 molécula de ribose, 1 molécula de adenina, 3 grupos fosfatos; creatina fosfato; glicose-6P, etc

5.1. ATP como moeda energética:

A molécula de ATP ocupa uma posição intermediária na escala energética dos substratos que contém grupos fosfatos (fosfogênios) no nosso organismo. Assim, temos um estoque de fosfogênios que apresentam energia livre superior àquela armazenada na ligação dos grupos fosfatos na molécula de ATP (ex: fosfoenolpiruvato, fosfocreatina, etc), com energia livre de hidrólise superior a -10.000 cal/mol; e um estoque de compostos fosfagênios de energia livre menor que no ATP (ex: glicose-6-P, AMP, etc), com energia livre de hidrólise inferior a 4.000 cal/mol. A importância disto está em que o ADP serve como aceptor de grupos fosfatos provenientes de compostos fosfagênios de alta energia livre, formando ATP, e como doador de grupos fosfatos para compostos na célula, formando compostos fosforilados de menor energia livre. Daí o seu papel como moeda energética. Todo e qualquer trabalho celular utiliza a energia livre da molécula de ATP, daí a necessidade de se ter as vias metabólicas que permitam a transferência de energia livre entre substratos ou disponibilizar esta energia livre diretamente ao local de consumo, via ATP.

6. Vias de produção de ATP

6.1. Introdução:

Durante qualquer atividade muscular ocorre aumento considerável da demanda de energia nos músculos envolvidos naquela atividade específica. O músculo ou célula muscular estoca quantidades limitadas de ATP (fonte direta e exclusiva de energia livre), tornando obrigatória a sua reposição durante e/ou após o exercício. O músculo é o único tecido capaz de responder com alterações substanciais do seu metabolismo energético em resposta à demanda de ATP que acompanha a contração muscular. Em repouso, os músculos são responsáveis por 30% do consumo total de O2. Já durante um exercício extenuante, este consumo aumenta para cerca de 90%. Esta informação ilustra bem o fato que a musculatura esquelética, apesar de poder apresentar períodos transientes de glicólise anaeróbia, é um tecido oxidativo. A célula muscular dispõe três vias produtoras de de ATP, integrados entre si.

6.2. Sistema ATP/CP (fosfato de creatina) ou sistema fosfagênio

Definição: via metabólica constituída pelo acoplamento entre duas reações químicas, a hidrólise da creatina fosfato (reação exergônica) à reação de síntese de ATP (reação endergônica)

características: fornecimento rápido de energia livre, permitindo a rápida ressíntese de ATP a partir de ADP e Pi, porém limitado no tempo (cerca de 6 a 10 s). Portanto é um sistema de alta potência e baixa capacidade.

Fontes locais de energia: ATP e CP: acoplamento de uma reação endergônica (reação 1) a uma exergônica (reação 2), de tal modo que a variação de energia livre consumida pela reação 1 é suprida pela reação 2, que libera energia livre.

ADP + P + ENERGIA LIVRE ≡ ATP ΔG1 = +7 Kcal/mol

CrP + ADP ≡ ATP + Cr (reação 2) ΔG2 = -12 Kcal/mol

Portanto, nesse acoplamento, a reação 2 é a exergônica, que cede 7 Kcal (na forma de energia livre ou trabalho) para o grupo fosfato se ligar covalelentemente ao ADP (reação 1 endergônica) , e 5 kcal/mol são dissipados para o meio na forma de calor.

Utilização: via priorizada em exercícios de alta intensidade e curta duração. Portanto, toda as vezes que iniciamos uma atividade física qualquer, ou ocorrem mudanças de ritmo dentro de uma mesma atividade, esta via é utilizada pela célula.

Llocalização: citoplasma da célula muscular.

Exemplos: 50 m de corrida, salto em altura, cobrança de pênalti no futebol, 25 m nado livre.

6.3. Glicólise

Definição: via metabólica que permite a quebra da molécula de glicose em duas moléculas de piruvato. Caso ocorra a formação de duas moléculas de lactato, torna-se uma via anaeróbia (isto é, não consome O2). Esta via é usada para transferir

energia armazenada nas ligações químicas entre os átomos que compõem a molécula de glicose para o ADP, sintetizando o ATP.

Produção final: 2 moléculas de ATP/ molécula de glicose ou 3 moléculas de ATP/ molécula de glicose, se proveniente do glicogênio muscular.

Ffatos importantes sobre a glicólise anaeróbia:

- esta via metabólica é constituída de uma sequência de 10 reações químicas, cada uma delas controladas por enzimas específicas, sendo a glicose o produto de entrada e o piruvato o produto final.

- durante a glicólise, a glicose é quebrada em duas moléculas de piruvato, ocorrendo o consumo de 2 moléculas de ATP no início da via para fosforilar a molécula de glicose, formando a frutose 1,6, difosfato, e um acoplamentode oxi-redução, com o NAD sendo reduzido a NADH.

- se o consumo de ATP na célula estiver elevado a taxa de glicólise pode comprometer o potencial redoxi do citoplasma (razão NAD/NADH baixa) ou se a quantidade de O2 nas mitocondrias não estiver perfeitamente adequada à necessidade de ATP, a célula acrescentará o metabolismo anaeróbio, ou seja promoverá a redução do piruvato a lactato, para recompor os níveis citoplasmáticos de NAD na forma oxidada, garantindo assim a continuidade da glicólise no citoplasma. Esta última reação é catalizada pela enzima desidrogenase láctica.

Metabolismo aeróbio: se o aporte de O2 está adequado à solicitação energética sofrida pela célula, o processamento da molécula de piruvato ocorre pela via aeróbia. Neste caso, o piruvato é transportado para o interior das mitocondrias e sofre uma descarboxilação oxidativa, formando a acetil-CoA, que é um dos produtos de entrada no ciclo de Krebs, e NADH. Esse acoplamento de reações químicas é promovido pela enzima piruvato desidrogenase. O outro produto de entrada no ciclo de Krebs é o oxalacetato, presente na matriz mitocondrial. Portanto, eletrons (e consequentemente hidrogênios ou protons) são removidos do substrato no ciclo de Krebs através dos acoplamentos de oxidação-redução entre os substratos e as duas moléculas transportadoras de hidrogênio, NAD e FAD (acoplamento de oxi-redução), presentes na matriz mitocondrial, que serão reduzids a NADH e FADH2. Estas duas coenzimas,

por sua vez, são regeneradas na forma oxidada (recomposição do potencial redoxi da matriz mitocondrial) durante o processo de fosforilação oxidativa na cadeia respiratória (ie, em presença do O2).

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localização: esta via metabólica ocorre no interior das mitocôndrias

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6.4. Ciclo de Krebs

definição: via metabólica de quebra da molécula de glicose em CO2 e H2O, em presença de oxigênio, incluindo três acoplamentos de oxi-redução tendo o NAD como o aceptor de hidrogênios e um acoplamento de oxi-redução com o FAD como aceptor de hidrogênios.

produção de ATP: 38 moléculas de ATP/ molécula de glicose.

eficiência: 40 %, de modo que 60 % da energia livre disponibilizada é liberada na forma de calor.

funções do ciclo de Krebs:

- completar a oxidação (remoção de hidrogênios) de carboidratos, gorduras e proteínas, formando CO2 e água, a partir da redução do O2.

- produção de NADH e FADH2 (reduzidos), como carregadores de hidrogênios, para serem reoxidados através da cadeia respiratória.

- para cada volta do ciclo de Krebs são produzidas 3 moléculas de NADH e 1 molécula de FADH2, 2 moléculas de CO2 e uma molécula de ATP por fosforilação em nível de substrato.

6.5. Cadeia respiratória

Definição: transferência seqüencial de pares de eletrons transportados pelo NADH + H+ e FADH2 nos complexos enzimáticos que constituem a cadeia, cujas coenzimas funcionam como os carregadores de eletrons (citocromos), com liberação gradativa do potencial de energia livre dos pares de eletrons. Parte do potencial de energia livre dos pares de eletrons sendo movimentados na cadeia respiratória é utilizada para gerar um gradiente de prótons através da membrana interna da mitocôndria em três componentes da cadeia respiratória. A energia livre conservada no gradiente de prótons é então acoplada à proteína ATP-sintase, que ao dissipar o gradiente de prótons (reação exerg\ônica) , utiliza parte dessa energia livre para refosforilar o ADP

em ATP 9reação endergônica). Daí, esse processo também sser chamado de fosforilação oxidativa.

Funções da cadeia respiratória:

- utilizar parte da energia livre armazenada no NADH e FADH2 para sintetizar ATP a partir do ADP, e regenerando o potencial redoxi (razão NAD/NADH e FAD/FADH2 elevadas) da célula.

Metabolismo aeróbio: seqüência de três vias metabólicas: glicólise, ciclo de Krebs e cadeia respiratória, tendo com produto de entrada a glicose, produtos finais 6 moléculas de CO2, 6 moléculas de água e 38 moléculas de ATP.

Equação geral da glicólise aeróbia:

C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + H2O + 38ATP

7. Catabolismo de lipídios

7.1. Introdução: a mobilização dos lipídios como substrato energético para a atividade física depende da liberação de ácidos graxos livres (FFA - "free fat acids") em função dos hormônios liberados em resposta ao estímulo do exercício (adrenalina e glucagon). Esses hormônios vão ativar a lipase sensível ao hormônio (via fosforilação), promovendo a liberação dos FFAs na circulação. A lipase é uma enzima extracelular, localizada nas paredes dos capilares na maioria dos tecidos, predominantemente nos capilares dos tecidos adiposo, cardíaco e muscular esquelético. Esta enzima hidrolisa os triglicerídios da molécula de lipídio, liberando os ácidos graxos livres (FFAs) do glicerol. Os FFAs, ligados à albumina, são então transportados para os músculos envolvidos em uma determinada atividade física. Por outro lado, quando em presença de altas concentrações de insulina e glicose no plasma, a lipase-sensível a hormônios é desfosforilada, tornando-se inativa. Daí o fato de após uma boa refeição, os níveis elevados de insulina e glicose favorecerem o armazenamento de triacilglicerol, e portanto a síntese, e não a degradação de lipídios (qual a consequência, por exemplo, para um maratonista se fizer uma refeição rica em carboidratos antes de correr uma maratona?). por outro lado, os nervos e a medula adrenal não utilizam os FFA(s) como fonte de energia, qualquer que seja o nível destes no plasma.

7.2. β-oxidação

Definição: é a via metabólica de quebra a cadeia alifática dos ácidos graxos saturados (FFAs) em fragmentos de duas unidades de carbono. Estes fragmentos são sucessivamente removidos da extremidade carboxila do R-acil-CoA, e formando moléculas de acetil CoA, um dos produtos de entrada do ciclo de Krebs.

- a transferência dos ácidos graxos livres para o interior da mitocondria é feita por um sistema carregador (ou de transferência) especial, que contém a carnitina,. Este mecanismo de transporte garante a transferência do radical acil do citoplasma para o interior da mitocondria, onde se liga novamente à molécula de CoA presente na matriz mitocondrial.

Etapas da β-oxidação: cada ciclo envolve quatro reações:

a) desidrogenação (oxidação): (FAD sendo reduzido a FADH2)

b) hidratação

c) desidrogenação (oxidação) (NAD sendo reduzido a NADH)

d) tiolação

Produtos finais: acetil-CoA, que entra no ciclo de Krebs e (R - 2)-acil-CoA, que entra novamente no ciclo de β-oxidação.

Produção de ATP: variável de acordo com o tamanho da cadeia do ácido graxo metabolizado. Geralmente acima de 100 moléculas de ATP/mol de /ácido graxo. Por exemplo, a degradação do ácido palmitoil-CoA para moléculas de acetil-CoA gera 7 NADH (que resultarão em 21 ATP na cadeia respiratória) e 7 FADH2 (que resultarão em 14 ATP), além das 12 moléculas de ATP geradas em função da degradação de cada uma das 8 moléculas de acetil-CoA. Total: 131 ATP/mol de palmitoil. Duas moléculas de ATP são consumidas durante o processo. Portanto a produção total é de 129 ATP.

Utilização de FFA: o índice de FFA na circulação é um parâmetro que indica o nível de mobilização de ácidos graxos. Assim, o exercício deve ser realizado em duas fases: na primeira fase, para mobilizar os ácidos graxos (repouso) e na segunda fase, utilizar os mesmos (exercício). Portanto, um pré-trabalho aumenta a quantidade de FFAs no sangue, que será utilizado em uma fase posterior do exercício: importância do aquecimento. Em indivíduos sedentários, não se observa FFA disponível no sangue

após um breve período de exercício, devido a alta produção de lactato (acidose metabólica) pela falta de condicionamento físico, e portanto, não há FFA disponível para a metabolização. Portanto é crítico que a intensidade do exercício seja ajustada em relação ao limiar de lactato do indivíduo para que a metabolização de gordura durante o exercício seja priorizada.

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nos estados alimentares pós-absortivos, os corpos cetônicos e os ácidos graxos são as maiores fontes de energia para a musculatura em repouso. O aumento transiente da glicemia após uma refeição rica em carboidratos determina o aumento da entrada de glicose nas células, tornando esta a fonte principal de energia. Com o músculo em repouso, a glicose é armazenada na forma de glicogênio.

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8. Ciclo de Cori

definição: via metabólica de produção de glicose a partir do lactato produzido nas células que não possuem mitocondrias, como as hemáceas, e no músculos em atividade. O lactato produzido no músculo em atividade é lançado na circulação e levado até o fígado, onde é convertido em glicose, que é novamente lançada na circulação. Lembre que do ponto de vista energético, a molécula de lactato possui mais energia livre armazenada que o ácido pirúvico, e portanto, deve ser re-aproveitado.

9. Produção de energia a partir da degradação de proteínas

Introdução: a proteína pode também ser utilizada como fonte de energia pelo músculo, principalmente durante o exercício sustentado e o treinamento pesado, contribuindo com cerca de 5% para a produção total de energia. Observou-se aumento considerável dos níveis de alanina (Ala) proporcional à intensidade do exercício. O catabolismo dos aminoácidos (AA) (leucina, isoleucina, valina, glutamina e aspartato) envolve a remoção dos gupos ∀-aminos (desaminação, no fígado, ou por transaminação, no músculo), seguida da degradação do esqueleto de carbono restante. O catabolismo dos esqueletos de carbono convergem para 7 produtos: oxalacetato, ∀-cetoglutarato, piruvato, fumarato, acetil-CoA, acetoacetil-CoA e succinil-CoA. Estes produtos entram

no metabolismo intermediário, sendo utilizados tanto para a síntese de glicose ou lipídio, como na produção de energia livre, quando são oxidados a CO2 e H2O como substratos no ciclo de Krebs.

- 10. Ciclo glicose-alanina

definição: via metabólica que permite a ressíntese de glicose a partir da alanina liberada dos músculos em atividade. A proteína é degradada, liberando alanina, que passa para a circulação, onde é transformada em ácido pirúvico no fígado.

A maioria dos AA são transformados em corpos cetônicos (ou seja em acetoacetato, acetona e 3-hidroxibutirato) no fígado e no músculo em atividade em função do aumento da degradação proteica. Estes corpos cetônicos podem ser utilizados como fonte de energia nos tecidos periféricos, onde são reconvertidos a acetil-CoA e entram no ciclo de Krebs. O músculo é o principal local de degradação dos aminoácidos de cadeia ramificada (leucina, isoleucina e valina).


FONTE DESCONHECIDA ....