Bioquímica dos SistemasCardiovascular e Respiratório

Bioquímica dos SistemasCardiovascular e Respiratório

(Parte 1 de 7)

Apostila

Bioquímica dos Sistemas Cardiovascular e Respiratório

Professores:

Russolina Zingali Robson Monteiro

2 SUMÁRIO

UNIDADE 1. Metabolismo do Miocárdiopág. 03
UNIDADE 2. Sistema Hemostáticopág. 19
UNIDADE 3. Regulação do Processo Hemostáticopág. 47
UNIDADE 4. Testes de Hemostasiapág. 67
UNIDADE 5. Hemácias e Grupos Sanguíneospág. 75
UNIDADE 6. Metabolismo da Hemáciapág. 87
UNIDADE 7. Hemoglobina e Mioglobinapág. 104
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICASpág. 122
I. Anemia e Índices Hematimétricospág. 125
I. Aula Prática 1 – Testes de Hemostasiapág. 140

3 UNIDADE 1

1.1. INTRODUÇÃO

O coração necessita de energia diariamente para poder exercer a sua função de bombear o sangue por todo o corpo humano e, assim, perfundir os tecidos. Para que isso ocorra em harmonia, é necessário que haja uma oferta contínua de oxigênio e substratos energéticos, o que é obtido através da circulação coronariana.

A utilização de cada substrato pelo coração é definida tanto pela concentração arterial de cada um deles, quanto pela demanda energética do miocárdio em determinado momento.

1.2. COMBUSTÍVEIS DO CORAÇÃO HUMANO

As principais fontes de energia do coração são carboidratos e ácidos graxos, os quais são utilizados em maior proporção nos estados pós-prandial e de jejum, respectivamente. Em jejum, ou no período entre as refeições, o nível de ácidos graxos livres no sangue é alto, e estes são preferencialmente utilizados para o metabolismo oxidativo (Figura 1), tornando-se então a principal fonte de energia. Quando os ácidos graxos são oxidados, a oxidação da glicose é inibida, e a mesma é altamente convertida a glicogênio. Este fenômeno é conhecido como “o efeito econômico da oxidação do ácido graxo”. Inversamente, quando os níveis de glicose e insulina circulantes estão elevados, os níveis de ácidos graxos circulantes são suprimidos; logo, o coração diminui a captação dos mesmos e, com isso, a inibição da glicólise pelos ácidos graxos é removida, e a oxidação da glicose é aumentada. Além disso, o próprio metabolismo da glicose suprime diretamente a oxidação de ácidos graxos (Figura 2).

Refeições ricas em gorduras levam a um aumento acentuado de triglicerídeos no sangue durante a lipemia pós-prandial. Nestes casos, a enzima lipase lipoprotéica converte o triglicerídeo a ácidos graxos, que então entra nas vias de oxidação dos mesmos. Nestas circunstâncias excepcionais, os triglicerídeos circulantes tornam-se o principal combustível do miocárdio.

Durante exercícios físicos intensos, o nível de lactato sanguíneo eleva-se e este se torna o principal combustível do coração, enquanto a oxidação da glicose e a captação de ácidos graxos passam a contribuir para a obtenção de apenas 15-20% da energia necessária ao coração durante o exercício.

Os corpos cetônicos contribuem significativamente para o metabolismo energético do coração somente em estado de jejum ou em cetose diabética severa, pois, assim como os ácidos graxos e o lactato, sua utilização é dependente de sua concentração. Finalmente, na isquemia, vale ressaltar que o padrão de captação de substratos modifica-se de uma predominância da utilização de lipídeos para a de carboidratos.

Figura 1. Metabolismo Oxidativo dos Ácidos Graxos. Quando o nível sanguíneo de ácidos graxos livres (FFA) é alto, estes são utilizados como a principal fonte de energia do coração. Além disso, enquanto os ácidos graxos são oxidados, a oxidação da glicose encontra-se reduzida, e a mesma é altamente convertida a glicogênio. GS = glicogênio sintase; PFK = fosfofrutoquinase; PDC = complexo piruvato desidrogenase.

Figura 2. Controle da Insulina sobre a Absorção da Glicose pelo Coração. Quando os níveis de glicose e insulina circulantes estão elevados, o coração diminui a absorção dos ácidos graxos, e a oxidação da glicose é aumentada.

1.2.1. Ciclo Glicose-Ácido Graxo

O ciclo glicose-ácido graxo, primeiramente descrito por Randle e colaboradores (1963), é baseado na variação dos papéis relativos da glicose e do ácido graxo como principais fontes de energia entre os estados abastecidos e em jejum (Figura 3). A produção cíclica (liga/desliga) de ácido graxo pelo tecido adiposo é o evento básico no ciclo. Durante o jejum, o tecido adiposo é quebrado para liberar ácidos graxos, inibindo o metabolismo da glicose pelo coração. Após as refeições, a presença de glicose estimula a produção de insulina e a primeira torna-se o principal combustível. A contribuição de determinado combustível para o metabolismo oxidativo do coração varia no decorrer do dia de acordo com seus níveis circulantes, assim como com o tipo de alimento ingerido e com a prática de exercício físico.

Figura 3. Metabolismo Cardíaco da Glicose e dos Ácidos Graxos. Os miócitos cardíacos transportam a glicose para o seu interior através dos transportadores específicos GLUT 1 e GLUT 4. A glicose é metabolizada na via glicolítica e produz piruvato, que pode ser então oxidado na mitocôndria a acetil CoA pela enzima piruvato desidrogenase (PDH). A acetil CoA entra no ciclo do ácido cítrico e gera equivalentes redutores para a produção de ATP na cadeia transportadora de elétrons. Já os ácidos graxos entram nos miócitos por difusão passiva ou mediada por translocases específicas. Estes são então esterificados pela acil CoA sintase e subsequentemente transportados à mitocôndria pela via da carnitina acil transferase 1 (CAT-1 ou CPT-1, no esquema), onde são oxidados e geram acetil CoA.

1.2.2. Metabolismo Oxidativo da Glicose

A captação da glicose pelas células cardíacas é controlada pelos transportadores de glicose GLUT 4 e GLUT 1 (Figura 2). Como a concentração de glicose no meio extracelular é maior do que no intracelular, este transporte não requer energia. A absorção da glicose aumenta sempre que os transportadores são estimulados, como durante o trabalho cardíaco aumentado, no período pósprandial, ou em situações de hipóxia ou isquemia, condições estas que aumentam também a glicólise. Por outro lado, a absorção da glicose é reduzida pelos fatores que inibem a glicólise, como um baixo trabalho cardíaco, o jejum, ou em casos de diabetes mellitus severa. Nas últimas duas condições, o nível de ácidos graxos no sangue encontra-se elevado.

No período pós-prandial com consumo de carboidratos, os níveis circulatórios de glicose elevam-se e a liberação de insulina, um hormônio circulante, é estimulada. Esta aumenta o número dos transportadores de glicose GLUT 4 e GLUT 1 no sarcolema (Figura 2), translocando-os de sítios internos não disponíveis para sítios externos. Logo, a insulina estimula a taxa de reciclagem desses transportadores entre sítios internos e externos. A insulina se liga a receptores específicos, os quais consistem de uma sub-unidade α externa e uma sub-unidade β interna. A ligação da insulina na sub-unidade α leva a uma

enzimas como a glicogênio sintase e a piruvato desidrogenase

autofosforilação da sub-unidade β, a qual amplifica fortemente o efeito da insulina e promove a ativação de tirosina cinases, desencadeando vias de sinalização celulares que irão culminar, por exemplo, em um aumento da atividade de

Em diversas doenças, tais como a diabete tardia, falha cardíaca congestiva e alguns tipos de hipertensão, o transporte de glicose encontra-se prejudicado mesmo com níveis de insulina aparentemente normais ou até elevados. Estes são casos de resistência à insulina.

1.2.3. Via Glicolítica

A glicólise é a via metabólica que converte a glicose a piruvato (Figura 4a).

Durante o metabolismo oxidativo normal, a glicose gera piruvato, que então é oxidado no ciclo do ácido cítrico (ou Ciclo de Krebs). Ao entrar na célula cardíaca, a glicose é rapidamente convertida pela enzima unidirecional hexoquinase a glicose 6-fosfato. Esta é então dirigida para a síntese de glicogênio ou para a glicólise.

Na glicólise, a glicose-6-fosfato é convertida a frutose 1,6-bisfosfato pela fosfofrutoquinase (PFK), uma das enzimas que regulam o fluxo desta via. Quando sua atividade é aumentada, como em hipóxia, a conversão da glicose 6-fosfato a frutose 1,6-bisfosfato, via frutose 6-fosfato, ocorre em uma taxa aumentada (Figura 4a).

glicose + ATPglicose 6-fosfato + ADP
glicose 6-fosfatofrutose 6-fosfato

hexoquinase

frutose 6-fosfato + ATPfrutose 1,6-bisfosfato + ADP

Depois disso, cada frutose 1,6-bisfosfato é convertida a duas moléculas de trioses fosfato (Figura 4a). Nas etapas seguintes, duas moléculas de piruvato e quatro de ATP são formadas independentemente da presença de oxigênio, além de 2 (NADH + H+) (Figura 4a).

frutose 1,6-difosfato + 2 Pi + 4 ADP + 2 NAD+2 x piruvato + 4 ATP + 2
NADH ++ 2 H+ + 2 H2O

Logo, no balanço geral, uma molécula de glicose gera duas de ATP, duas de piruvato, duas de H2O, e dois (NADH + H+).

Figura 4. Metabolismo Aeróbio e Anaeróbio da Glicose. a) Via glicolítica: a via metabólica da conversão da glicose a piruvato. b) Destinos do piruvato dependendo das condições de oxigênio: anaeróbia – formação de lactato; aeróbia – descarboxilação oxidativa. LDH = lactato desidrogenase; PDH = piruvato desidrogenase.

LDH b. PDH

Cabe ressaltar que existe um controle intracelular coordenado da glicólise, de tal modo que a absorção e fosforilação da glicose, a atividade da PFK e a da piruvato desidrogenase podem aumentar ou diminuir simultaneamente em resposta a um trabalho aumentado do coração, assim como a outros estímulos. Esses são, portanto, pontos-chave no controle da glicólise.

1.2.4. Metabolismo Aeróbico dos Ácidos Graxos (AGs)

O metabolismo miocárdico dos AGs começa em função de seus níveis circulantes. Ou seja, quanto maior o seu nível, maior será a relação molar AG/albumina, e maior será a captação dos AGs pelo miocardio. Uma vez captados, os AGs passam por uma série de mudanças até a formação de moléculas de acetil CoA. O primeiro passo desta via é a ativação dos AGs intracelulares pela coenzima A (CoA) para formar derivados de acil CoA. A membrana mitocondrial não é permeável a essas moléculas, que necessitam, portanto, serem transformadas e transportadas para o interior da mitocôndria. Inicialmente, as moléculas de acil CoA combinam-se com a carnitina, formando acil carnitina, que é transportada pelo sistema carreador de carnitina para o espaço mitocondrial interno. Depois disso, as longas cadeias de acil CoA, já livres de carnitina, sofrem β-oxidação e progressivamente são formadas moléculas de acetil CoA, as quais são oxidadas no ciclo do ácido cítrico e finalmente levam à geração de ATP. Qualquer AG intracelular não oxidado pode ser estocado como triglicérides ou transformado em lipídeos estruturais por alterações no grau de saturação. Os triglicérides (ou triacilgliceróis) teciduais podem ser fontes de ácidos graxos quando os níveis destes estão baixos na circulação (Figura 5).

AG + CoA + ATPacil CoA + AMP + PPi

Sumário das etapas do metabolismo dos AGs: 1. AG intracelular reage com CoA e forma acil CoA extramitocondrial:

2. Acil CoA extramitocondrial reage com a carnitina e forma acil cartinina, reação essa catalisada pela enzima carnitina acil transferase 1 (CAT-1); 3. A enzima carnitina acil translocase transloca a acil carnitina extramitocondrial para o espaço intramitocondrial; 4. A enzima carnitina acil transferase 2 (CAT-2) permite à acil carnitina intramitocondrial reagir com a CoA, e ocorre a liberação de acil CoA intramitocondrial e carnitina. Esta última é exportada de volta ao citoplasma;

5. A acil CoA intramitocondrial sofre β-oxidação e forma unidades de dois carbonos de acetil CoA, que entram no ciclo do ácido cítrico; 6. Quando os níveis de captação de AGs são bem elevados, ocorre mais formação de acetil CoA do que o ciclo do ácido cítrico é capaz de consumir. Nestes casos, o excesso de acetil CoA pode também reagir com carnitina intramitocondrial, formando acetil carnitina, que é transportada ao espaço extramitocondrial pela enzima carnitina-acetil translocase, onde ocorre formação de acetil CoA citoplasmático. Este pode então sofre transformação a malonil CoA, que provê um feedback inibitório.

Acil CoA sintetase

O malonil CoA é produzido sempre que elevados níveis de acetil CoA citossólico estão presentes devido ao alto metabolismo de AGs, ou às altas taxas de oxidação da glicose.

A β-oxidação converte a longa cadeia de acil CoA em fragmentos de dois carbonos de acetil CoA. A oxidação do AG continuamente remove uma molécula de acetil CoA da terminação carboxi da cadeia.

Durante o esforço cardíaco aumentado, a mitocôndria torna-se mais oxidada. Os níveis intramitocondriais de NADH2 e FADH2 diminuem, e ocorre um aumento na taxa de oxidação dos ácidos graxos. Por outro lado, na anaerobiose, os níveis de NADH2 e FADH2 aumentam, como resultado de uma redução da taxa de β-oxidação devido ao diminuído transporte de elétrons.

Figura 5. Descrição detalhada da absorção e degradação dos ácidos graxos pela mitocôndria. Os números correspondem às enzimas acil CoA sintase (1), carnitina acil transferase 1 (2), carnitina acil translocase (3), carnitina acil transferase 2 (4) e 3-hidroxiacil-CoA desidrogenase (5). Fp = flavoproteína, NAD+ = nicotinamida adenina dinucleotídeo oxidada, NADH = nicotinamida adenina dinucleotídeo reduzida.

Um resumo do metabolismo energético das células cardíacas está representado na Figura 6.

Figura 6. Representação esquemática da absorção e metabolismo dos substratos nas células musculares cardíacas. FAT, fatty acid translocase; FABP, sarcoplasmic fatty acid-binding protein; NAD, nicotinamide adenine dinucleotide; NADH, reduced niconamide adenine dinucleotide.

O piruvato é formado a partir do lactato absorvido pelo coração e pela degradação da glicose, e situa-se na intersecção da glicólise e do metabolismo oxidativo no ciclo do ácido cítrico. No coração anaeróbico, o piruvato forma lactato; no aeróbico, sofre descarboxilação oxidativa e entra no ciclo do ácido cítrico. Esta reação ocorre pela atividade do complexo enzimático da piruvato desidrogenase (PDH) (Figura 4b), encontrado na membrana interna da mitocôndria. Os produtos desta reação de múltiplas etapas incluem a acetil Coa e

NADH2. A primeira entra diretamente no ciclo de Krebs e é totalmente oxidada a CO2 e H2O, e a segunda forma ATP pela fosforilação oxidativa.

A piruvato desidrogenase é encontrada tanto na forma ativa como na inativa. Normalmente, encontra-se na forma inativa, mas pode ser ativada pelo aumento do esforço cardíaco, pelas catecolaminas ou pelas altas taxas de glicólise do estado pós-prandial. Por outro lado, a enzima é inibida pela formação de NADH2 na isquemia ou na hipóxia, ou pela oxidação dos ácidos graxos. A inibição desta enzima é o evento-chave na inibição da glicólise durante a oxidação dos ácidos graxos.

O lactato é absorvido pelo coração aeróbico e produzido durante a anaerobiose; então, a sua liberação no seio coronário pode ser usada como um sinal de isquemia do miocárdio. A contribuição do lactato para as necessidades de energia de um miocárdio bem oxigenado pode aumentar a até 60% quando o seu nível em circulação encontra-se elevado, como por exemplo durante e logo após exercício físico. Durante infusão de lactato, a contribuição do mesmo pode subir a até 90%. O lactato é um combustível muito menos importante quando seu nível está baixo, ou quando os níveis dos ácidos graxos estão elevados. A absorção do lactato pelo coração depende de um sistema de transporte específico, pois o sarcolema não é livremente permeável ao mesmo. Uma vez absorvido, o lactato é convertido a piruvato pela lactato desidrogenase (LDH), sendo que esta reação é reversível:

(Parte 1 de 7)

Comentários