11.5 Inibidores e desacopladores

Dados recentes, obtidos por experimentação in vivo, indicam que o controle respiratório é muito mais complexo do que verificado em preparações de mitocôndrias, resultando da interferência de outros fatores, além da razão ADP/ATP.

O controle respiratório é ainda abordado na Seção 20.6.

11.5 Inibidores e desacopladores

A transferência de elétrons pode ser bloqueada por inibidores especí cos

Há drogas capazes de atuar especificamente sobre cada um dos complexos da cadeia respiratória mitocondrial, impedindo o

prosseguimento da transferência de elétrons (Tabela 11.2). O resultado desta ação inibitória é a paralisação do transporte de elétrons e das vias metabólicas que dependem da cadeia para a reoxidação de coenzimas.

Tabela 11.2 Inibidores da cadeia de transporte de elétrons e o complexo sobre o qual

cada um atua.

Inibidores Complexo

Barbituratos (hipnóticos) I

Rotenona (inseticida) I

Malonato (inibidor da succinato desidrogenase) II

Antimicina A (antibiótico) III

Cianeto (CN– 3 – IV ), monóxido de carbono (CO), azida (N )

Deve-se salientar que o resultado é o mesmo, qualquer que seja o componente da cadeia sobre o qual a droga atue. Isto acontece porque um transportador reduzido, incapaz de passar adiante seus elétrons, é também incapaz de receber elétrons do transportador antecedente. Deste modo, em instantes, todos os componentes da cadeia que se situam antes do ponto de atuação da droga estarão reduzidos, e a cadeia, inoperante. Sem o transporte de elétrons não se forma o gradiente de prótons e não há síntese de ATP. Estas drogas são potencialmente letais.

O transporte de elétrons pode ocorrer sem a síntese de ATP

No início do século XX, durante a 1a Guerra Mundial, foi verificada uma síndrome grave em trabalhadores da indústria de explosivos que estavam expostos ao contato com ácido pícrico (trinitrofenol). O sintoma mais notável, que com frequência levava a óbito, era a hipertermia, além de emagrecimento.

Foi este o fato inicial que levou à descoberta de um grupo de substâncias capazes de atuar sobre o acoplamento da síntese de ATP ao transporte de elétrons. Hoje se sabe que algumas substâncias lipofílicas, como o 2,4-dinitrofenol (DNP, de dinitrophenol), são capazes de dissociar o transporte de elétrons da fosforilação oxidativa; estas substâncias são chamadas desacopladores. Quando os dois processos são totalmente desacoplados, a produção de ATP para; o transporte de elétrons, termodinamicamente autônomo, pode prosseguir, não mais controlado pela concentração de ADP.

Graças ao seu caráter hidrofóbico, o DNP pode atravessar membranas e, por ser um ácido fraco, associa-se a prótons no espaço intermembranas

(onde a concentração de H+ é maior), liberando-os na matriz (Figura 11.15). Impede a formação do gradiente de prótons e a energia que seria usada na síntese de ATP é dissipada como calor. O fluxo de elétrons, feito sem o concomitante transporte de prótons contragradiente, torna-se energeticamente mais favorável e sua velocidade aumenta. Medidas experimentais simples demonstram que, em presença de desacopladores, uma suspensão de mitocôndrias consome oxigênio com velocidade muito maior do que na sua ausência.

Nos anos que se seguiram a esta descoberta, o DNP foi usado como agente emagrecedor. A expectativa de sua administração era que, acelerando a oxidação de coenzimas sem a síntese de ATP, a degradação das reservas lipídicas fosse acelerada e a sua síntese, devido à pequena produção de ATP, fosse restringida. Este tipo de tratamento efetivamente propiciava rápida perda de peso, mas também efeitos adversos graves e acidentes fatais, tendo sido logo abandonado. Posteriormente, verificou-se ainda que o DNP é um agente mutagênico. Apesar da legislação proibitiva, o DNP voltou a ser usado a partir de 2000, como automedicação, podendo ser comprado pela Internet, resultando em aumento significativo do número de mortes por sua ingestão.

Figura 11.15 Atuação do 2,4-dinitrofenol como desacoplador — o transporte de prótons através da membrana desfaz o gradiente necessário à síntese de ATP.

Proteínas transportadoras de prótons atuam como desacopladores

O desacoplamento artificialmente provocado por substâncias como o DNP tem seu correspondente fisiológico.

Na Seção 11.3, para facilitar o entendimento da fosforilação oxidativa, foi admitida uma condição hipotética de acoplamento perfeito, em que os prótons entram na mitocôndria somente através da ATP sintase, e na presença de ADP e P . Todavia, diversas abordagens experimentais i

demonstram que as mitocôndrias são capazes de consumir oxigênio, mesmo na ausência de ADP. Como, nesta situação, os prótons não podem entrar via ATP sintase, fica evidenciado que existe um “vazamento” de H+ através da membrana interna da mitocôndria. Ou seja, o acoplamento da fosforilação oxidativa é incompleto e os prótons bombeados pelos complexos transportadores de elétrons podem atravessar a membrana interna, de volta para a matriz mitocondrial, independentemente da formação de ATP.

O fenômeno do desacoplamento, um aparente desperdício de energia, tem grande importância para o funcionamento normal das células, podendo representar de 20 a 50% do seu gasto energético. O “vazamento” de prótons no desacoplamento fisiológico é catalisado por uma família de proteínas, descritas a seguir.

A função biológica do desacoplamento da fosforilação oxidativa é mais bem conhecida no tecido adiposo marrom de mamíferos. Este tecido, diferentemente do tecido adiposo branco, apresenta numerosas mitocôndrias e, consequentemente, alto teor de citocromos, que têm cor marrom. A membrana interna de suas mitocôndrias contém, além da ATP sintase, uma proteína transportadora de prótons, denominada proteína desacopladora 1 ou UCP1, de Uncoupling Protein 1, anteriormente conhecida como termogenina. O retorno de prótons para a matriz mitocondrial, através desta proteína e não pela ATP sintase, diminui a força próton-motriz e a eficiência da fosforilação oxidativa (menor razão P/O) — uma fração considerável da energia de oxidação-redução é dissipada como calor (termogênese). O mecanismo da translocação de prótons mediada por UCP1 ainda não é totalmente conhecido.

A oxidação de substratos acompanhada por termogênese é importante na proteção de mamíferos recém-nascidos e adaptados a climas frios, hibernantes ou não. O tecido adiposo marrom, além de exibir alto conteúdo de UCP1, é densamente inervado e vascularizado, recebendo grande parte do fluxo sanguíneo corporal; tais características permitem prover calor para todo o organismo.

Nos seres humanos, admitia-se que o tecido adiposo marrom existia somente em recém-nascidos. Esta noção foi revista, graças à identificação recente de depósitos substanciais desse tecido em adultos, localizados principalmente no pescoço e tórax superior. Trata-se de tecido funcional, que é ativado por exposição a baixas temperaturas e capaz de sintetizar UCP1.

A atividade metabólica do tecido adiposo marrom é associada a um aumento de cerca de 20% do gasto energético basal de seres humanos adultos. O principal substrato oxidado para a produção de calor são os ácidos graxos, fornecidos pelas lipoproteínas plasmáticas ricas em

triacilgliceróis (Seção 6.2.7). Níveis plasmáticos elevados de triacilgliceróis estão comumente associados à obesidade, ao diabetes e às doenças cardiovasculares A ativação do tecido adiposo marrom, por remover essas lipoproteínas do plasma, tem sido considerada como uma nova abordagem terapêutica para combater tais doenças.

Além de UCP1, outras quatro proteínas desacopladoras foram identificadas em seres humanos adultos: UCP2 (expressa na maioria dos tecidos), UCP3 (em músculos esqueléticos, principalmente, e no coração), UCP4 e UCP5 (ambas no cérebro). As UCPs são muito conservadas entre os eucariotos, sendo encontradas não só em mamíferos, como em protozoários, peixes, aves e plantas. A ação termogênica de UCP1 está bem estabelecida, mas as funções das outras UCPs ainda são incertas.

Uma provável função atribuída às UCPs 2 a 5 baseia-se em duas características destas proteínas: elas promovem, ao contrário de UCP1, um desacoplamento discreto da fosforilação oxidativa e são ativadas por

espécies reativas de oxigênio (ROS). Como analisado na Seção 11.2.1, a produção de ROS na cadeia de transporte de elétrons mitocondrial aumenta quando o potencial eletroquímico de membrana é elevado, sendo que um pequeno decréscimo no potencial de membrana resulta em uma grande queda da geração de ROS. As UCPs 2 a 5 respondem a concentrações elevadas de ROS causando um desacoplamento discreto, que reduz o potencial de membrana, e atenua a geração de ROS, sem diminuição significativa da eficiência da fosforilação oxidativa.

A atuação das UCPs 2 a 5, além de estabelecer uma pronta defesa contra o estresse oxidativo, à custa de um pequeno consumo de energia, tem outros desdobramentos:

1. Por modularem a força próton-motriz, permitem ajustar a síntese

de ATP à demanda de energia, contribuindo para a homeostase celular.

2. A produção controlada de ROS é fundamental, porque essas

espécies participam da regulação do metabolismo energético.

3. Aceleram o metabolismo oxidativo, graças à estimulação da cadeia

de transporte de elétrons.

4. As UCPs são expressas nas células pancreáticas e parecem

participar de vias de sinalização da secreção de glucagon e insulina, desempenhando papel importante na regulação da fome.