20.7 Regulação do metabolismo de triacilgliceróis e ácidos graxos

O desacoplamento de mitocôndrias era considerado, originalmente, um artefato do método de isolamento das organelas. Na verdade, o gradiente eletroquímico não é totalmente utilizado para a síntese de ATP e o desacoplamento deve ser considerado inerente à fosforilação oxidativa.

A regulação da fosforilação oxidativa, como se pode observar, está longe de ser compreendida de modo completo.

20.7 Regulação do metabolismo de triacilgliceróis e ácidos

graxos

A utilização ou a recomposição do depósito de triacilgliceróis do tecido adiposo — a maior reserva energética dos mamíferos — ocorrem em condições de carência ou abundância de nutrientes, respectivamente, que desencadeiam processos reguladores diferentes. Variações das necessidades energéticas, que acontecem entre o esforço físico vigoroso e o estado de repouso, também determinam alteração no sentido do metabolismo dos triacilgliceróis. Os principais hormônios que coordenam essas regulações são glucagon, adrenalina e insulina.

A degradação de triacilgliceróis é desencadeada por glucagon e adrenalina e

inibida por insulina

Os triacilgliceróis dos adipócitos de mamíferos localizam-se no interior de uma única grande gota citoplasmática, envolvida por proteínas, a mais abundante sendo a perilipina 1.

A hidrólise do triacilglicerol em três ácidos graxos e glicerol (Seção

16.1) ocorre em etapas sequenciais, catalisadas pela lipase de triacilgliceróis do adiposo (ATGL), a lipase hormônio-sensível (HSL) e a monoacilglicerol

lipase (MAGL) (Figura 20.11). A mobilização da reserva de triacilgliceróis requer que as lipases possam acessar os seus substratos, encobertos pelas perilipinas. Estas proteínas coordenam a mobilização ou a reconstituição da reserva de lipídios, expondo ou encobrindo o núcleo de triacilgliceróis à ação das lipases.

Figura 20.11 Lipólise na gota de lipídios dos adipócitos. a) Situação basal: a proteína coativadora (CA) da lipase de triacilgliceróis do adiposo (ATGL) encontra-se ligada à perilipina 1 (1) e a lipase hormônio-sensível (HSL) encontra-se dispersa no citosol. b) Estimulação por adrenalina: a PKA fosforila a perilipina 1, a proteína coativadora fica livre e associa-se com a ATGL, que catalisa a hidrólise dos triacilgliceróis (TAG) em ácido graxo (AG) e diacilglicerol (DAG). HSL, fosforilada pela PKA, é deslocada para a superfície da gota de lipídios, onde interage com a perilipina 1 fosforilada e hidrolisa diacilglicerol em ácido graxo e monoacilglicerol (MAG). Este é hidrolisado em ácido graxo e glicerol pela monoacilglicerol lipase (MAGL) que é solúvel no citosol.

A lipólise sofre controle hormonal por glucagon e adrenalina, antagônico ao da insulina; os hormônios determinam a modificação estrutural da gota de lipídios e da atividade das lipases, por mecanismos não totalmente compreendidos.

Em condições de hipoglicemia, há liberação de glucagon e, na atividade física, de adrenalina. A interação destes hormônios com seus receptores nos adipócitos aciona a via de transdução de sinal da proteína quinase dependente de cAMP (PKA). A lipase de triacilgliceróis do adiposo (ATGL) torna-se ativa somente quando complexada com um coativador proteico (CA). A perilipina 1, na forma desfosforilada, bloqueia a ligação do coativador à enzima, que fica inoperante; a fosforilação da perilipina 1 pela PKA causa a liberação do coativador que se associa com a ATGL, que passa a hidrolisar os triacilgliceróis. A lipase hormônio-sensível (HSL), dispersa no citosol, é também fosforilada e desloca-se para a superfície da gota de lipídios, onde se liga à perilipina 1 fosforilada e hidrolisa os diacilgliceróis produzidos por ação da ATGL. A monoacilglicerol lipase (MAGL) é ativa constitutivamente e completa a lipólise. Em resumo, as perilipinas, na forma desfosforilada, impedem que as lipases interajam com os triacilgliceróis; quando fosforiladas pela PKA, permitem essa interação e os triacilgliceróis são hidrolisados. Os ácidos graxos produzidos são liberados na corrente sanguínea, podendo suprir a demanda energética de músculos esqueléticos e cardíaco, e fígado. O aumento do nível de ácidos graxos no plasma promove a sua tomada por esses tecidos, aumentando a oferta de substratos para a β-oxidação. Esta via ocorre dentro da mitocôndria e é exatamente o transporte dos ácidos graxos para o interior dessa organela que determina a sua oxidação; no jejum, o transporte e a oxidação de ácidos graxos estão estimulados.

A insulina, liberada quando a glicemia é alta, sinalizando abundância de nutrientes, promove a desfosforilação das lipases e das perilipinas: as enzimas são inibidas e as perilipinas interpõem-se entre as lipases e os triacilgliceróis, resultando o armazenamento desses compostos. As respostas à insulina seriam devidas à ativação da fosfoproteína fosfatase 1 (PP-1), que passa a remover os grupos fosfato das proteínas, e da fosfodiesterase de cAMP, levando à diminuição do nível de cAMP; a insulina também estimula a síntese de lipídios.

A atividade da acetil-CoA carboxilase é crucial para a síntese de ácidos graxos

Figura 20.12 Síntese de ácidos graxos e triacilgliceróis a partir de glicose: visão geral das regulações alostéricas. As setas tracejadas azuis indicam regulações alostéricas, positivas (1) e negativas (–), e hormonais. Os números referem-se às etapas descritas no texto.

A síntese de ácidos graxos e, consequentemente, a de triacilgliceróis pelo fígado e adipócitos tem como ponto principal de regulação a formação de malonil-CoA a partir da acetil-CoA, catalisada pela acetil-CoA

carboxilase (etapa 1 na Figura 20.12). A enzima de aves e mamíferos é constituída por dímeros cataliticamente inativos que, ao se associarem, formam a enzima polimérica ativa, um mecanismo pouco comum de regulação da atividade enzimática. A acetil-CoA carboxilase sofre regulação alostérica, que reflete o nível intracelular de efetuadores, e regulação hormonal, que sinaliza as necessidades globais do organismo.

A polimerização das subunidades processa-se na presença de citrato. Os níveis citoplasmáticos de citrato elevam-se quando não pode ser oxidado pelo ciclo de Krebs, em virtude da inibição da isocitrato desidrogenase e da α-cetoglutarato desidrogenase. É o que acontece quando a razão ATP/ADP celular é alta: o controle respiratório determina uma menor velocidade de oxidação de coenzimas pela cadeia de transporte de elétrons, havendo um acúmulo de NADH, o efetuador alostérico negativo das duas enzimas. O citrato então acumulado é transportado pela tricarboxilato translocase

(etapa 2 na Figura 20.12) da mitocôndria para o citosol, onde inibe a fosfofrutoquinase 1 (etapa 3), estimula a acetil-CoA carboxilase e origina acetil-CoA citosólica por ação da citrato liase (etapa 4).

O acúmulo de citrato sinaliza a disponibilidade de energia e de precursores para a síntese de ácidos graxos, obtidos, nos seres humanos, a partir de carboidratos da dieta, principalmente.

O produto da via de síntese, palmitoil-CoA, tem efeito oposto ao citrato, despolimerizando e inativando a enzina; exerce um controle amplo sobre a síntese de ácidos graxos, por atuar como efetuador alostérico negativo da acetil-CoA carboxilase e da citrato liase e inibir a tricarboxilato translocase.

NADPH, o agente da síntese de ácidos graxos, é fornecido pela via das pentoses e pela reação da enzima málica (etapa 5).

A acetil-CoA carboxilase é regulada por modificação covalente: sua fosforilação é acompanhada por dissociação nos protômeros inativos. Ela é fosforilada, e inibida, pela PKA e pela AMPK, as proteína quinases acionadas no jejum e no exercício. A insulina tem efeito oposto, determinando a desfosforilação e a estimulação da enzima. A regulação da citrato liase é homóloga à da glicogênio sintase: é fosforilada e inativada pela glicogênio sintase quinase-3 (GSK-3), que é bloqueada na presença de insulina. De todos estes modos, a insulina promove a síntese de ácidos graxos.

Nos vegetais e procariotos, a acetil-CoA carboxilase não exibe as regulações descritas para os mamíferos. A enzima de vegetais, localizada nos cloroplastos, é ativada por aumento do pH e da concentração de Mg2+do estroma, obtidos sob incidência de luz. Nas bactérias, organismos que não armazenam triacilgliceróis, os ácidos graxos são utilizados fundamentalmente como precursores de lipídios estruturais de membrana: sua síntese é estimulada quando ocorre divisão celular.

Durante a síntese de ácidos graxos, a sua degradação é impedida

A via da β-oxidação não é submetida a regulação alostérica ou modificação covalente. Seu funcionamento está subordinado ao suprimento de substrato, coenzima A, NAD+ e FAD, sendo que o fornecimento das coenzimas oxidadas depende da cadeia de transporte de elétrons.

A disponibilidade de substrato para a β-oxidação é função da atividade do sistema de transporte de grupos acila para o interior da mitocôndria, o compartimento celular onde ocorre a sua degradação. Quando a acetil-CoA carboxilase está ativada — em situações de abundância de carboidratos e de níveis altos de insulina — aumenta a concentração de malonil-CoA, que, além de ser substrato da síntese de ácidos graxos, exerce um papel regulador na degradação destes compostos. Malonil-CoA inibe a carnitina

acil transferase I (etapa 6 na Figura 20.12), a enzima responsável pela introdução de radicais acila na mitocôndria. Esta inibição previne a entrada e a oxidação na mitocôndria dos ácidos graxos recém-sintetizados, pois, enquanto ocorre a síntese, os níveis citoplasmáticos de malonil-CoA permanecem elevados. No jejum, invertem-se os resultados das regulações.

Outras ações da insulina estimulam a síntese de ácidos graxos e triacilgliceróis

A insulina, liberada no período absortivo, atua na síntese de lipídios desde a entrada de glicose nas células até a transcrição de genes que codificam enzimas da via.

O estímulo do transporte de glicose para as células aumenta não só a oferta de precursores para a síntese de ácidos graxos, como também a de glicerol 3-fosfato, permitindo a esterificação dos ácidos graxos sintetizados. O tecido adiposo, responsável pelo armazenamento de triacilgliceróis, obtém glicerol 3-fosfato principalmente por redução de di-hidroxiacetona fosfato, proveniente da glicose percorrendo a via glicolítica, igualmente estimulada por insulina. Só dispondo de glicose, o adipócito pode sintetizar e armazenar triacilgliceróis. Com efeito, os carboidratos da dieta são a principal fonte de carbonos para a formação do depósito de triacilgliceróis nos seres humanos. No fígado, o glicerol 3-fosfato pode ser formado por redução de di-hidroxiacetona fosfato ou por fosforilação de glicerol pela glicerol quinase, enzima muito ativa neste órgão.

Além da acetil-CoA carboxilase, outras enzimas são estimuladas por insulina, levando a um aumento na síntese de lipídios: complexo piruvato

desidrogenase (Seção 20.4) e glicerol 3-fosfato acil transferase (Seção

16.7).

A insulina induz a transcrição dos genes de diversas enzimas do metabolismo de triacilgliceróis, como a acetil-CoA carboxilase e a sintase de ácidos graxos. No jejum ou diabetes, estas ações são revertidas por glucagon.

No jejum, o glucagon determina a degradação de triacilgliceróis e ácidos

graxos

A regulação da lipólise nos adipócitos, descrita no início desta seção, determina a mobilização do depósito de triacilgliceróis em situações de jejum. Simultaneamente, no fígado, a síntese de ácidos graxos — já dificultada pela impossibilidade de produzir acetil-CoA a partir de glicose, devido à falta do açúcar e à inibição da glicólise e do complexo piruvato desidrogenase — é bloqueada pela inativação da acetil-CoA carboxilase. Como consequência, há diminuição da concentração de malonil-CoA e ativação da carnitina acil transferase I, o que possibilita o transporte dos grupos acila dos ácidos graxos para a matriz mitocondrial, onde podem ser oxidados.

Assim, no jejum, o ciclo da β-oxidação funciona ativamente, alimentado pelos ácidos graxos liberados do tecido adiposo. Adicionalmente, como a glicólise e o ciclo de Krebs estão desativados, por falta de substrato e por todos os mecanismos inibitórios então desencadeados, as coenzimas oxidadas pela cadeia de transporte de elétrons destinam-se exclusivamente ao ciclo de Lynen. A coenzima A utilizada por este ciclo provém da conversão de acetil-CoA a corpos cetônicos.

A acetil-CoA produzida na β-oxidação é desviada para a formação de corpos cetônicos, já que não pode ser quantitativamente oxidada pelo ciclo de Krebs, uma vez que o oxaloacetato está sendo sequestrado pela gliconeogênese estimulada por glucagon — a obtenção de ATP pelo fígado depende da oxidação, na fosforilação oxidativa, das coenzimas reduzidas na conversão de ácidos graxos a acetil-CoA pelo ciclo de Lynen. Deste modo, o glucagon, além de promover a manutenção da glicemia, provê o aporte de ácidos graxos e corpos cetônicos para satisfazer as necessidades energéticas dos tecidos que podem oxidá-los.