16.2 Degradação de ácidos graxos: ativação, transporte e oxidação

Os triacilgliceróis da dieta, transportados pelos quilomícrons e VLDL

(Seção 6.2.7), são hidrolisados pela lipase lipoproteica, uma enzima extracelular, que fica ancorada no endotélio dos capilares dos tecidos extra-hepáticos. Os produtos finais da hidrólise, como no caso das lipases dos adipócitos, são glicerol e ácidos graxos, que se tornam, assim, disponíveis para as células. Os remanescentes dos quilomícrons, empobrecidos de triacilgliceróis e proporcionalmente enriquecidos de colesterol, são

retirados da circulação pelo fígado, por endocitose (Seção 7.4.2).

Os ácidos graxos, mobilizados do tecido adiposo ou provenientes da dieta, são oxidados por uma via que se processa no interior das mitocôndrias.

 

16.2 Degradação de ácidos graxos: ativação, transporte e

oxidação

 

16.2.1 Ácidos graxos saturados

Os ácidos graxos são ativados e transportados para a matriz mitocondrial,

onde são oxidados

Para ser oxidado, o ácido graxo é primeiramente convertido em uma forma ativada, uma acil-CoA. Esta etapa prévia é catalisada pela acil-CoA sintetase, associada à face citosólica da membrana externa da mitocôndria:

 

Nesta reação, forma-se uma ligação tioéster entre o grupo carboxila do ácido graxo e o grupo SH da coenzima A (H-SCoA), produzindo uma acil-CoA. As acil-CoAs, como a acetil-CoA, são compostos ricos em energia. Sua ligação tioéster é formada à custa da energia derivada de uma ligação anidrido fosfórico, por clivagem do ATP em adenosina monofosfato (AMP) e pirofosfato (HP O 3– ou PP ). O pirofosfato é hidrolisado a dois fosfatos 2 7 i inorgânicos (2 HPO 2– 4ou 2 Pi) em uma reação irreversível, o que torna o processo de ativação do ácido graxo a acil-CoA igualmente irreversível.

A membrana interna da mitocôndria é impermeável a acil-CoA, mas os grupos acila podem ser introduzidos na mitocôndria, quando ligados à carnitina. Este composto, sintetizado a partir de aminoácidos, é amplamente distribuído nos tecidos animais e vegetais, sendo especialmente abundante em músculos. A ligação reversível do grupo acila à carnitina é

catalisada pela carnitina-acil transferase (Figura 16.1 a). Existem duas isoformas da enzima, denominadas I e II, que se localizam na membrana externa e no interior da mitocôndria, respectivamente. O sistema utilizado

para o transporte de grupos acila consta de quatro etapas (Figura 16.1 b): (1) na membrana externa, a carnitina-acil transferase I transfere o grupo acila da coenzima A para a carnitina; (2) a acil-carnitina resultante é transportada através da membrana interna pela acil-carnitina/carnitina translocase; (3) na matriz mitocondrial, a carnitina-acil transferase II doa o grupo acila da acil-carnitina para a coenzima A, liberando carnitina; (4) a carnitina retorna ao citosol pela mesma translocase. Deste modo, o grupo acila dos ácidos graxos atinge o interior da mitocôndria, onde ocorre a sua oxidação.

Figura 16.1 Transporte de grupos acila para a mitocôndria. a) Reação catalisada pela carnitina-acil transferase. b) Sistema de transporte de grupos acila — os números referem-se às etapas descritas no texto.

 

Na β-oxidação, a acil-CoA é oxidada a acetil-CoA, produzindo FADH e NADH 2

A acil-CoA presente na matriz mitocondrial é oxidada por uma via denominada β-oxidação, porque promove a oxidação do carbono β do ácido

graxo, ou ciclo de Lynen (Figura 16.2). Esta via consta de uma série cíclica de quatro reações, ao final das quais a acil-CoA é encurtada de dois carbonos, que são liberados sob a forma de acetil-CoA, com produção de FADH2 e NADH. As quatro reações e as enzimas que as catalisam são:

 

1. Oxidação da acil-CoA a uma enoil-CoA (acil-CoA β-insaturada)

de configuração trans, à custa da conversão de FAD a FADH2, a única reação irreversível da via — acil-CoA desidrogenase

2. Hidratação da dupla ligação trans, produzindo o isômero L de uma

β-hidroxiacil-CoA — enoil-CoA hidratase

3. Oxidação do grupo hidroxila a carbonila, resultando uma β-

cetoacil-CoA e NADH — β-hidroxiacil-CoA desidrogenase

4. Cisão da β-cetoacil-CoA por reação com uma molécula de

coenzima A (H-SCoA), com formação de acetil-CoA e de uma acil-CoA com dois carbonos a menos; esta acil-CoA refaz o ciclo várias vezes, até ser totalmente convertida a acetil-CoA — tiolase.

 

As enzimas da β-oxidação podem ocorrer como enzimas individualizadas ou como enzimas multifuncionais. O termo enzima multifuncional é aplicado para designar enzimas que apresentam várias atividades catalíticas, cada qual associada a um domínio específico de uma única cadeia polipeptídica.

A atividade da β-oxidação em diferentes condições

fisiológicas é discutida na Seção 20.7.

Figura 16.2 Via da β-oxidação ou ciclo de Lynen: a acil-CoA formada no final de cada volta tem dois carbonos a menos e reinicia o ciclo (seta pontilhada). A única reação irreversível é aquela catalisada pela acil-CoA desidrogenase (setas vermelhas). Os produtos finais da via — acetil-CoA, FADH e NADH — estão incluídos em retângulos amarelos. 2

 

 

A oxidação do ácido palmítico produz 129 ATP

A oxidação completa de um ácido graxo exige a cooperação entre o ciclo de Lynen, que converte o ácido graxo a acetil-CoA, e o ciclo de Krebs, que oxida o grupo acetila a CO2.

Em cada volta do ciclo de Lynen, há produção de 1 FADH , 1 NADH, 1 2 acetil-CoA e 1 acil-CoA com dois átomos de carbono a menos que o ácido graxo original. Sempre que o número de átomos de carbono do ácido graxo for par, a última volta do ciclo de oxidação inicia-se com uma acil-CoA de quatro carbonos, a butiril-CoA, e, neste caso, são produzidas 2 acetil-CoA (além de FADH 2 e NADH).

O número de voltas percorridas por um ácido graxo até sua conversão total a acetil-CoA dependerá, naturalmente, do seu número de átomos de carbono. Assim sendo, para a oxidação completa de uma molécula de ácido palmítico, que tem 16 átomos de carbono, são necessárias sete voltas no ciclo, já que na última volta formam-se duas moléculas de acetil-CoA. O resultado final são 8 moléculas de acetil-CoA. A oxidação de cada acetil-CoA no ciclo de Krebs origina 3 NADH, 1 FADH 2 e 1 ATP (ou GTP). Pela fosforilação oxidativa, NADH e FADH2 formam, respectivamente, 3 e 2 ATP. A produção de ATP resultante da oxidação completa do ácido

palmítico está discriminada na Tabela 16.1. Do total de ATP formado (131) deve ser descontado o gasto inicial na reação de ativação do ácido graxo, onde há conversão de ATP a AMP + 2 P e, portanto, consumo de duas i ligações ricas em energia, o que equivale a um gasto de 2 ATP (conversão de 2 ATP a 2 ADP). O rendimento final da oxidação do ácido palmítico é, então, 129 ATP.

Como a síntese de ATP na fosforilação oxidativa é acompanhada da formação de água, a oxidação de ácidos graxos também gera uma quantidade considerável de água. Esta produção de água assume

importância fundamental durante a hibernação (Seção 11.2).

 

Tabela 16.1 Produção de ATP na oxidação de ácido palmítico.

Produtos da oxidação de 8

acetil-CoA no ciclo de

Produtos da β-oxidação Krebs Total (β-oxidação + Krebs) Mols de ATP formados

8 acetil-CoA

7 NADH 24 NADH 31 NADH 93

7 FADH2 8 FADH2 15 FADH2 30

8 GTP 8 GTP 8

Total1 131

1O rendimento energético da oxidação do ácido palmítico é igual a 129 ATP, porque, dos 131 produzidos, devem ser descontados 2 ATP consumidos na ativação do ácido graxo.

 

A oxidação de ácidos graxos ocorre também nos peroxissomos

Peroxissomos são organelas citoplasmáticas, envoltas por uma membrana única, presentes em praticamente todas as células eucarióticas. Estas organelas apresentam características peculiares: sofrem proliferação e alteração do seu conteúdo enzimático segundo as necessidades celulares. Os peroxissomos encarregam-se de diversos processos metabólicos, que incluem, invariavelmente, a degradação de ácidos graxos; outras funções variam com o organismo ou o tipo de célula considerado.

Nos mamíferos, a oxidação de ácidos graxos ocorre nas mitocôndrias, peroxissomos e retículo endoplasmático. As mitocôndrias são responsáveis pela β-oxidação de ácidos graxos de cadeia linear curta, média e longa, que são convertidos a CO 2 e H2O.

A β-oxidação peroxissômica promove o encurtamento de ácidos graxos de cadeia linear muito longa (com mais de 20 carbonos), de ácidos graxos

ramificados (α-oxidação, Seção 16.2.2), de ácidos graxos dicarboxílicos e da cadeia lateral de intermediários da síntese de ácidos biliares. Os ácidos graxos encurtados são transferidos para as mitocôndrias para oxidação completa; os sais biliares sintetizados nos peroxissomos dos hepatócitos são exportados e incorporados à bile.

Os ácidos graxos de cadeia muito longa são transportados para o interior dos peroxissomos, onde são convertidos nas respectivas acil-CoA. A primeira etapa de oxidação, como aquela mitocondrial, é a transformação das acil-CoAs muito longas nas respectivas trans-Δ2-enoil-CoA, com redução de FAD, catalisada por uma flavoproteína. No caso da flavoproteína mitocondrial, a acil-CoA desidrogenase, os elétrons do FADH2 são entregues à cadeia de transporte de elétrons, gerando ATP; na reação promovida pela enzima peroxissômica, a acil-CoA oxidase, os elétrons do FADH são transferidos diretamente ao oxigênio, que é reduzido 2

a água oxigenada (Figura 16.3). A água oxigenada é decomposta em H 2O e ½ O2 por ação da catalase presente nos peroxissomos.

A trans-Δ2-enoil-CoA é oxidada pelas mesmas três etapas da β-oxidação mitocondrial, catalisadas, todavia, por apenas duas enzimas: uma enzima multifuncional, que exibe as atividades de enoil-CoA hidratase e β-hidroxiacil-CoA desidrogenase, e uma tiolase.

 

Figura 16.3 β-Oxidação peroxissômica — oxidação de uma acil-CoA muito longa (R com 20 ou mais carbonos), catalisada pela acil-CoA oxidase.

 

Doenças graves são causadas por defeitos genéticos relacionados com a oxidação peroxissômica de ácidos graxos. A de maior incidência (1:15.000) é a adrenoleucodistrofia ligada ao cromossomo X, que se manifesta geralmente na infância e tem consequências fatais. Resulta da deficiência da permease que transfere os ácidos graxos de cadeia muito longa através da membrana dos peroxissomos. A consequência é o acúmulo desses ácidos graxos no cérebro, no córtex adrenal e testículos, além de seu aumento moderado na maioria dos tecidos e no plasma. A moléstia afeta, principalmente, o sistema nervoso central, havendo uma destruição progressiva da bainha de mielina das fibras nervosas componentes da substância branca do cérebro, que origina a denominação adrenoleucodistrofia (leuko, em grego, significa branco); outras disfunções são insuficiência adrenocortical e hipogonadismo. Durante a década de 1980, foi testada uma terapia para a doença, baseada na atuação dos ácidos graxos oleico e erúcico como inibidores competitivos do alongamento de ácidos graxos. A conduta consistia na administração oral de uma mistura de trioleilglicerol e trierucilglicerol na proporção 4:1. Esta mistura foi denominada Óleo de Lorenzo em homenagem a Lorenzo Odone, o primeiro paciente tratado com a mistura (tema do filme “O Óleo de Lorenzo”). Realmente, o tratamento reduzia os níveis plasmáticos dos ácidos graxos de cadeia muito longa, mas não melhorava os sintomas neurológicos e endócrinos, nem impedia a progressão da doença. Além disso, a mistura de triacilgliceróis provocava efeitos adversos. Depois de mais de 20 anos de controvérsias, conclui-se que o tratamento com o óleo de Lorenzo não apresenta nenhuma eficácia clínica.

Outra moléstia, a síndrome de Zellweger é devida a mutações em diversos genes relacionados com a biogênese dos peroxissomos, com perda de múltiplas funções; caracteriza-se por disfunções graves do sistema nervoso, fígado e rins, principalmente, que levam à morte no primeiro ano de vida. As alterações metabólicas comuns às doenças hereditárias peroxissômicas são os níveis aumentados de ácidos graxos muito longos, de precursores dos ácidos biliares e de ácidos graxos ramificados, no sangue e nos tecidos. O mecanismo que relaciona estas alterações à instalação das moléstias não é conhecido até o presente.

Nos vegetais, a β-oxidação de ácidos graxos é feita nos peroxissomos e glioxissomos (um tipo especializado de peroxissomos, característico de sementes oleaginosas). Os peroxissomos de tecidos foliares de certos tipos

de plantas participam, ainda, da fotorrespiração (Seção 15.6). A acetil-CoA produzida nos glioxissomos pode ser convertida em glicose graças à

presença, nestas organelas, das enzimas do ciclo do glioxilato (Seção 10.3). Estas enzimas são ausentes de células animais, que, por isto, são incapazes de utilizar acetil-CoA como composto gliconeogênico.

No retículo endoplasmático de mamíferos, encontra-se uma via de oxidação de ácidos graxos de importância menor, a ω-oxidação. A via inicia-se com a hidroxilação do carbono ω, o terminal metila dos ácidos

graxos (Seção 6.2.1). A reação é catalisada por enzimas pertencentes à família do citocromo P450 e requer a participação de O2 e NADPH. Seguem-se etapas de oxidação do ácido graxo ω-hidroxilado, originando um ácido graxo dicarboxílico, que é substrato da β-oxidação peroxissômica.