METABOLISMO CELULAR 4.4 METABOLISMOS DO GLICOGÊNIO O glicogênio é um polímero de tamanho variável que contém resíduos de glicose unidos por ligações glicosídicas alfa-1,4 e, nos locais de ramificação, glicosídicas alfa-1,6. A formação desse polímero permite a acumulação de glicose nas células sem aumentar a pressão osmótica dentro destas. O glicogênio a pressão osmótica dentro destas o glicogênio existe no citosol de todas as células do organismo, mas é mais importante no fígado e musculo esquelético. Além disso, o glicogênio exerce importante papel na produção de energia na célula na medida em que ocorre uma necessidade intracelular de metabolização da glicose. Desse modo, é importante que seja mantido níveis adequados de glicogênio muscular e hepático. A ingestão adequada de alimentos fontes de carboidratos se torna imprescindível para que os musculo e o fígado possam armazenar a glicose. O mecanismo em que a molécula de glicogênio é conhecida como glicogênio é conhecido como glicogênese. A síntese do glicogênio hepático é aumentada em condições pós-prandiais, enquanto sua degradação ocorre em estado de jejum ou no exercício físico. Já nos musculo, a degradação do glicogênio acontece durante a realização de exercícios físicos, e sua síntese, durante o repouso. A regulação entre a síntese e a degradação do glicogênio ocorre entre a ativação e inibição das enzimas glicogênio sintase e a glicogênio fosforilases, sendo essas controladas alostericamente. O controle alostérico é aquele que a função da enzima em um sitio é afetada pela ligação de uma molécula regulatória em outro sitio, assim, por meio da regulação alostérica, pode ocorrer inibição ou ativação de uma enzima, alterando sua forma ativa ou inativa. A resposta das enzimas glicogênio sintase e do glicogênio fosforilases são dependentes das necessidades energéticas da célula. Respondendo às concentrações tanto de glicose quanto de ATP presentes na célula. No período pós-prandial, a enzima glicogênio sintase é ativada pelas altas concentrações de glicose-6-fosfato dentro dos hepatócitos, o que causa a inibição da enzima glicogênio fosforilases. Isso ocorre graças às altas concentrações energéticas da célula, que faz que a glicose excedente seja armazenada na forma de glicogênio hepático. Se as concentrações energéticas dos hepatócitos. Se as concentrações energéticas hepatócitos estiverem baixas, ou seja, as concentrações tanto de ATP quanto de glicose-6-fosfato, a enzima glicogênio sintase é inibida e a enzima glicogênio fosforilases é ativada fazendo que o glicogênio seja rapidamente degradado para a sintase de glicose e consequentemente de ATP. No musculo, a ativação e a inibição das enzimas glicogênio sintase e glicogênio fosforilases são dependentes também de outros dois mecanismos. Um deles é pelo aumento das concentrações sarcoplasmáticas de Ca2+ causado pela contração muscular. O Ca2+, por sua vez, liga-se a uma proteína conhecida como calmodulina, que ativa uma serie de reações enzimáticas, dentre elas, a ação da enzima fosforilases-cinase que aumenta o gasto energético das células e maior depleção de glicogênio muscular pela ativação da enzima glicogênio-fosforilases e inativação da glicogênio-sintase. Outro mecanismo é pela ativação da glicogênio-fosforilase pelo AMP que está presente no musculo em razão da grande depleção do ATP durante o exercício. Hormônio como a adrenalina e o glucagon também podem ativar a degradação do glicogênio. O mecanismo pelo qual isso ocorre é intermedeiado pela ligação do hormônio a seu receptor de membrana (receptor associado à proteína G), que aumenta as concentrações citosólicas de AMP cíclico, este, por sua vez, liga-se a proteína cinase A ativando-a A ativação da proteína cinase A ativa a enzima glicogênio fosforilase, aumentando a degradação do glicogênio. 4.5 Metabolismos aeróbios O metabolismo aeróbio é assim denominado pela sua utilização de moléculas de oxigênio como aceptor final na cadeia respiratória no transporte de elétrons na cadeia respiratória no transporte de elétrons na crista mitocondrial. No metabolismo aeróbio, a produção de energia na forma de ATP é feita pelo ciclo de Krebs (também denominado ciclo do acido cítrico ou ciclo do acido tricarboxílicos) no qual o piruvato, que era o produto final da via glicolítica, entra no clico pela reação de uma enzima desidrogenase que o converte em acetil-CoA (acetil coenzima A) ou reage com uma enzima carboxilasse que o converte em oxalacetato. No metabolismo oxidativo, por meio do clico de Krebs e da cadeia transportadora de elétrons para a formação de ATP, diversos substratos podem ser oxidados para dar inicio a produção de energia pelo ciclo direta ou indiretamente. Esses substratos podem ser provenientes dos carboidratos como a glicose, a frutose e a galactose, aminoácidos que entraram como intermediários do ciclo (reações anapleróticas)e os lipídios que por meio de um processo denominado de beta-oxidação serão metabolizados em moléculas menores de acetil-CoA. Dessa forma, o metabolismo oxidativo se torna extremamente complexo, já que diversos substratos podem atuar sobre ele para a produção de energia de acordo com as necessidades do organismo. 4.5.1 Ciclo de Krebs ou ciclo do ácido cítrico Diferentemente da glicólise, que é exclusivamente citoplasmática, todo o processo do ciclo de Krebs ocorre na matriz mitocondrial. O ciclo de Krebs é frequentemente conhecido como o “ponto central do metabolismo intermediário”, por apresentar funções tanto anabólicas quanto catabólico diversos processos metabólicos fornecem substratos, como o piruvato e acetil-CoA que podem influenciar o ciclo. Em condições anabólicas, o ciclo de Krebs pode fornecer diversos produtos intermediários, como precursores da gliconeogênese (oxaloacetato e malato); succinil-CoA, precursor da porfirina; 2-oxoglutarato e oxaloaceacetato, precursores de alguns aminoácidos; precursor de ácidos graxos. De forma geral, uma das principais funções do clico de Krebs são a extração de moléculas de NADH+H+ e FADH2, para metabolização na cadeia respiratória e a formação direta de ATP por meio das diversas reações enzimáticas que nele ocorrem, atuando na oxidação dos carboidratos lipídios e proteínas. É importante relembrar que como estamos estudando o destino da molécula de glicose no metabolismo oxidativo, até o presente momento, foram formadas duas moléculas de piruvato pela glicólise no citoplasma, ou seja, as reações a seguir continuarão também em dobro. Ademais, para podermos contabilizar corretamente a formação geral de ATP por meio da oxidação completa da molécula de glicose. Temos agora de considerar a formação das duas moléculas de NADH+H formadas na via glicolítica pela reação 5 no citoplasma e também as outras duas moléculas de NADH+H+ produzidas no processo de conversão do piruvato em acetil-CoA ou oxaloacetato. Reação I Uma vez que o piruvato é convertido em oxaloacetato ou acetil-CoA, ou também pelo processo de beta-oxidação, no qual os ácidos graxos começam a liberar moléculas de acetil-CoA na matriz mitocondrial, a enzima citrato sintase, promove a condensação da acetil-CoA e do oxaloacetato formando a molécula de citrato, dando inicio ao ciclo. Ácidos graxos Beta-oxidação Piruvato Desidrogenase citrato sintase Acetil-CoA citrato Piruvato + Oxaloacetato Piruvato carboxilasse Uma molécula de piruvato pode formar acetil-CoA ou oxaloacetato que sofreram a ação da enzima citrato sintase para formar citrato. Reação II Na reação seguinte, o citrato sofre ação da enzima acotinase, que contém Fe2+ como cofator, sendo convertido em isocitrato em uma reação reversível. Acotinase dependente de Fe2+ Citrato isocitrato Conversão do citrato em isocitrato pela enzima acotinase dependente de Fe2+ como cofator. Reação III Nesse ponto do ciclo, a conversão de um intermediário para outros acontece em duas reações irreversíveis: na primeira, há atuação do NAD+ como cofator junto com a enzima isocitrato desidrogenase, para a formação de oxalo-asuccinato e também o NAD+ que estava na sua forma oxidada, recebe dois hidrogênios, ficando na sua forma reduzida NADH+H+. E na segunda fase, a enzima isocitrato desidrogenase junto com o manganês (Mn2+) como cofator do oxalosuccinato formando beta-cetoglutarato. a) Isocitrato desidrogenase Isocitrato oxaloasuccinato NAD+ NADH+H+ b) oxaloasuccinato α - cetoglutarato CO2 Formação de oxalosuccinato a partir do isocitrato Formação do alfa-cetoglutarato a partir do oxalosuccinato. Reação IV Na reação seguinte, o α-cetoglutarato é convertido a succinil-CoA pela reação enzimática do complexo α-cetoglutarato desidrogenase, dependente de NAD+ como cofator, formando como produtos finais o succinil-CoA, que possui ligação química de alta energia e uma molécula de NADH+H+. Complexo α-cetoglutarato desidrogenase. α-cetoglutarato succinil-CoA NAD+ NADH+H+ Síntese do succinil-CoA pela ação do complexo α-cetoglutarato desidrogenase sobre o α-cetoglutarato. Reação V Após a formação do succinil-CoA, a enzima Succinato tioquinase realiza a quebra do Succinato com o grupo CoA, formando Succinato. Nesse ponto da reação, por ser uma molécula com ligação de alta energia, o succinil-CoA ao sofrer ação enzimática, converte GDP com GTP, que posteriormente doará um fosfato para o ADP, formando ATP, com isso, esse é o único ponto da reação em que a formação direta de uma molécula de ATP, sem que seja intermediada pela cadeia respiratória. Succinato tioquinase Succinil-CoA Succinato GDP+Pi GTP ADP ATP Formação do Succinato a partir do succinil-CoA, formando, também durante a reação uma molécula de ATP. Reação VI Com a formação do Succinato a enzima Succinato desidrogenase atua junto com uma flavina adenina dinucleotídio (FAD) convertendo Succinato em fumarato e retirando duas moléculas de hidrogênio do Succinato para a formação de FADH2. Esse único ponto do ciclo que há atuação de um FAD como cofator, sendo, também, uma via de “mão dupla”. Succinato desidrogenase Succinato fumarato FAD FADH2 Síntese do fumarato através do Succinato. Reação VII No passo seguinte, a enzima fumarase adiciona uma molécula de agua à molécula de fumarato, formando malato em uma reação reversível, já que a enzima fumarase pode, também, hidrolisar o malato, formando novamente fumarato. Fumarase Fumarato malato H2O *Adição de agua no fumarato pela fumarase para formar malato. Reação VIII Em seguida, na ultima reação do ciclo, a enzima malato desidrogenase retira dois íons de hidrogênio formando oxalacetato e NADH+H+, dando assim, novamente o inicio do ciclo. Malato desidrogenase Malato oxaloacetato NAD+ NADH+H+ Ação enzimática da malato desidrogenase se convertendo malato em oxaloacetato. As reações do ciclo de Krebs resumidamente, a partir de condensação da acetil-CoA com o oxalacetato, formando citrato, até a formação novamente do oxalacetato proveniente do malato. Acetil-CoA Ciclo de Krebs, desde a condensação da molécula de acetil-CoA com o oxalacetato formando citrato, até a formação novamente de oxalacetato, dessa vez, proveniente do malato. Oxalacetato citrato Malato isocitrato CO2 Fumarato α-cetoglutarato CO2 Succinato succinil-CoA Ao final de cada volta do ciclo de Krebs, as moléculas formadas de NADH+H+ e FADH2 são direcionadas para a cadeia transportadora de elétrons, na qual, por meio de uma serie de reações de oxidorredução, finalmente ocorrerá a formação de ATP. Sendo assim, cada volta do ciclo de Krebs possibilita a formação de 1 molécula de ATP do substrato e mais 11 moléculas de ATP sintetizadas diretamente pela cadeia respiratória por 3 NADH+H+ e 1 FADH2 produzidos, totalizando 12 ATP por volta completada. A diferença na produção total de ATP através da metabolização da glicose pela via glicolítica citoplasmática em relação à oxidação completa da glicose pelo metabolismo oxidativo. Como podemos observar, a oxidação completa da glicose é muito mais eficiente em termos de geração de ATP que sua metabolização até lactato, tornando o metabolismo oxidativo uma das principais formas de nossas células gerarem ATP. Embora nossa somatória por meio do metabolismo aeróbio da glicose seja de 38 ATP de lucro, existe uma regulação tecido especifica que pode diminuir em 2 ATP essa somatória. Enquanto o fígado e o coração formam 38 ATP na metabolização oxidativa da glicose, tecidos como musculo esquelético e o sistema nervoso central apresentam mecanismo diferenciados para o transporte das duas moléculas de NADH+H+, produzidos na reação 5 e 6 da via glicolítica, para a matriz mitocondrial. Como NADH+H+ não consegue atravessar a membrana mitocondrial de forma direta, duas vezes para esse transporte podem acontecer. A esses processos de lançamento do NADH+H+ ao citoplasma para a matriz mitocondrial, dando o nome de lançadeiras de NADH+H+. Lançadeira glicerol-3-fosfato O complexo i da cadeia transportadores de elétrons (NADH desidrogenase) apenas recebe elétrons transferidos do NADH+H+ proveniente da matriz mitocondrial, da mesma forma que a membrana mitocondrial não possui uma proteína transportadora de NADH+H+ tampouco é impermeável a ela. Desse modo sistemas denominados lançadeiras são responsáveis por transportar os equivalentes redutores do NADH+H citosólico para dentro da mitocôndria por um mecanismo direto. No musculoesquelético e no cérebro, a lançadeira utilizada é a lançadeira glicerol-3-fosfato, que cede os equivalentes redutores do NADH+H+ (via ubiqinona) diretamente para o complexo III da cadeia transportadora de elétrons. Como essa enzima mitocondrial está ligada a cadeia respiratória via FAD, somente 2 ATP são formados. Lançadeira malato-oxaloacetato Enquanto a lançadeira glicerol-3-fosfato atua no musculo esquelético e no cérebro, a lançadeira malato-oxaloacetato é a lançadeira de NADH+H mais ativa e está presente nas mitocôndrias do fígado, do rim e do coração. Nesse caso, os equivalentes redutores do NADH+H+ citosólico são transferido para o malato pela ação enzimática da malato hidrogenase citosólicas, o malato formando atravessa a membrana interna para a matriz mitocondrial pro meio do transportador malato-α-cetoglutarato. Já na matriz os equivalentes redutores são transferidos do malato desidrogenase matricial, formando NADH+H+ novamente, que transfere seus elétrons para a cadeia respiratória, gerando 3 ATP. 4.5.2 Cadeia respiratória A cadeia respiratória é parte de um processo da fosforilação oxidativa. Ela vai catalisar o transporte gradual de elétrons das moléculas de NADH+H+ e FADH2, ou ubiqinona reduzida (QH2) para moléculas de oxigênio. A cadeia de transporte de elétrons é constituída por três importantes de elétrons é constituído por três importantes complexos proteicos (complexos I, III E IV), que se encontram integrado na membrana interna das mitocôndrias, mais especificamente na crista mitocondrial, e duas moléculas de transporte que são moveis a ubiqinona (coenzima Q) e o citocromo c. o complexo II è composto pela enzima Succinato desidrogenase, que, na verdade, pertence ao ciclo de Krebs, e ainda o complexo V, embora não participe do processo de transporte de elétrons, é constituído pela ATP sintase. Cada uma dessas proteicas tem uma função especifica na liberação e no transporte dos elétrons pela cadeia proteínas tem uma função especifica na liberação e no transporte dos elétrons pela cadeia proteica para que ao final pela ATP sintase, moléculas de hidrogênio possam atravessar a membrana em pares, formando umas moléculas de ATP e uma molécula de H2O. Todos os complexos da cadeia respiratória são compostos por vários peptídeos e diferentes cofatores de oxidorredução ligados à proteína. (Dentre esses fatores, destacam-se a flavina monoucleotídio (FMN, uma coenzima que possui estrutura relacionada com o FAD), nos complexos I e II), grupos heme (em II, III e IV) e grupamentos de ferro e enxofre (em I, II e III). De uma forma geral os elétrons conseguem alcançar a cadeia respiratória por diferentes caminhos. Pela oxidação dos NADH+H+ por meio do complexo I eles chegam, reduzindo a FMN e, posteriormente, os grupamentos Fe/S, à ubiqinona. Outros elétrons, oriundos da oxidação do Succinato, acil-CoA e outros substratos são transferidos para a ubiqinona pela enzima Succinato desidrogenase ou outras desidrogenasse da mitocôndria por meio do FADH2 e das flavoprotetinas transportadoras de elétrons (ETF). Desse modo, os elétrons serão transportados da ubi-hidroquinona para o complexo III que, a partir de seus componentes, ativarão uma serie de reações de oxidorredução, ativarão uma serie de reações de oxidorredução até que, finalmente, os elétrons consigam alcançar o oxigênio. Assim, na redução de 2-eletrons do O2, que por meio da ligação de dois prótons forma H2O. A oxidação do NADH+H+ pelo complexo I, ocorre na parte interna da membrana, portanto, na matriz, onde o ciclo de Krebs e a β-oxidação, os mais importantes fornecedores de NADH+H+, estão localizados. Não obstante, a formação de ATP e a oxidação do O2 também ocorrem na matriz. Reação 1: complexo I NADH desidrogenase O complexo I também, conhecido como NADH desidrogenase, é uma grande proteína enzimática formada por 42 cadeias polipeptídicas diferentes, incluindo uma FMN e seis centros Fe/S em forma de L. sua função e catalisar duas reações, a primeira, é a transferência de íons hidreto para outra proteína de membrana a ubiquinona junto com um próton, formando ubiquinona reduzida QH2 e segundo, a transferência de quatro prótons da matriz mitocondrial para o espaço intermembranoso. Sendo esse complexo considerado como uma bomba de prótons. A QH2 formada se difundira ate o complexo III, sendo oxidada e formando ubiquinona oxidada (Q). Reação 02: complexo II Succinato desidrogenase O complexo o Succinato desidrogenase é uma enzima do ciclo de Krebs que se liga a membrana enzima interna da mitocôndria. Ela possui um FAD ligado covalentemente e um centro Fe/S composto por quatro átomos de Fe. Os elétrons são transferidos do Succinato para o FAD, passando pelos centros Fe-S até a ubiquinona, formando ubiquinol (ubiquinona reduzida ou QH2). Como visto anteriormente outros substratos também transfere elétrons para a cadeia respiratória pela ubiquinona. Nesse caso, o substrato transfere seus elétrons para o FAD, passando para a ETF, que, por sua vez, transfere para a ubiquinona, formando QH2. O glicerol-3—fosfato desidrogenase também transfere elétrons para a ubiquinona, este, por sua vez, é uma enzima que catalisa o glicerol-3-fosfato, formando após a oxidação dos triaciglicerois e a di-hidroxiacetona formada durante a via glicolítica. Essa enzima é uma flavoprotéina que está presente na superfície externa da membrana mitocondrial interna. Reação 03: complexo III complexo dos citocromo bc1 O complexo III conhecido como complexo dos citocromo bc1 ou biquinona-citocromo e oxidorredutase, e responsável pela transferência de elétrons do ubiquinol (QH2) para o citocromo c1 fazendo que prótons sejam transportados da matriz mitocondrial para o espaço intermembranas. Após a oxidação do QH2 pelo complexo III, duas moléculas de citromo c são reduzidas, movendo-se do complexo III para o complexo IV, carregando elétrons que serão transferidos para um centro de cobre binuclear do complexo IV. Reação 04: complexo IV citocromo c oxidase O complexo IV ou citocromo c oxidase, é o passo final da cadeia respiratória. Ele transfere dois elétrons provenientes do citocromo c para o oxigênio molecular, reduzindo-o H2O. Esse complexo é formado pro treze subunidades, e a subunidade I contém dois grupos heme designados de a e a3 e um íon cobre (Cuβ) e, a subunidade II, é formada por dois íons cobre ligados aos grupos SH de resíduos de cisteína (Cys) em um centro binuclear (Cuα). Os elétrons provenientes dos citocromo c passam pelo complexo IV, por meio da subunidade II em direção a subunidade IV, por meio das subunidades II em direção a subunidades I, sendo, em seguida, transferidos para o O2. Para cada quatro elétrons que passam por esse complexo são consumidos um hidrogênio, formando assim duas moléculas de H2O. Além de transferir os elétrons para o oxigênio molecular, o complexo IV bombeia prótons para o espaço intermembranas. Até que seja convertido em agua, o oxigênio molecular deve estar ligado ao complexo IV, caso contrario, há a formação de peroxido de hidrogênio e radicais livres, que são extremamente reativas e causam danos a estrutura célula. Após a transferência dos elétrons do complexo IV, para o oxigênio molecular e a adição de duas moléculas de hidrogênio formando agua para que esse compostos não sejam liberados como peróxidos de hidrogênio ou radicais livres, os prótons lanchados da matriz mitocondrial para o espaço intermembranas, criam um gradiente eletroquímico positivo no espaço intermembranas em relação a matriz mitocondrial que, nesse momento, está com um gradiente negativo, dessa forma, é ativada o complexo V ou ATP sintase. Complexo V, ATP sintase. A ATP sintase é um grande complexo enzimático localizado na membrana mitocondrial interna, responsável por catalisar a formação de ATP a partir de ADP+P, pela entrada dos prótons que estão no espaço intermembranas para a matriz mitocondrial (lado positivo em direção ao lado negativo). A ATP sintase ou complexo V é formado por uma proteína periférica de membrana (F1) e uma proteína integral de membrana (F0). Nesse caso, a letra “o” subscrita ao F significa sensível a oligomicina. Isoladamente cada uma dessas proteínas não são capazes de sintetizar ATP por meio do ADP+P, já que somente a Fo consegue transferir os elétrons provenientes do NADH+H+ para o oxigênio, mas não formam o gradiente de prótons na membrana. Já o F1 separadamente faz a hidrolise do ATP, sendo uma ATPase, assim, o F1 associados ao FO cria uma gradiente de prótons positivo no lado externo da membrana mitocondrial interna capaz de gerar a síntese de ATP. Dessa forma, temos que no processo da cadeia respiratória, para cada molécula de NADH+H que inicia o processo serão formados 3 ATP e para cada molécula de FADH2 a formação de 2 ATP. Essa diferença se dá pela ligação do NADH+H+ que possui a capacidade de se ligar no complexo I NADH desidrogenase, gerando assim uma gradiente de prótons maior no espaço intermembranas em relação ao FADH2, que se liga ao complexo II Succinato desidrogenase. Existem certas drogas que inibem a cadeia respiratória, dentre elas estão o amital (uma droga barbitúrica), a rotenona (produto vegetal utilizado como inseticida) e a piericidina A (um antibiótico). Essas drogas inibem o fluxo de elétrons nos centros Fe-S do complexo I para a ubiquinona, bloqueando todo o processo de fosforilação oxidativa. Outras substancias como o cianeto, o monóxido de carbono e a atimicina. A são inibidoras do transporte de elétrons para o oxigênio, inibindo a formação de ATP. Outra droga inibidora da síntese de ATP é a oligomicina que se liga à ATP sintase, fechando o canal de entrada do H+, impedindo o retorno dos prótons do espaço intermembranas para a matriz mitocondrial e, como o gradiente de prótons não se dissipa, o transporte de elétrons cessa, em razão da dificuldade de bombear prótons contra um alto gradiente. 4.6 Radicais Livres Na cadeia transportadora de elétrons, a redução de oxigênio molecular para agua requer quatro elétrons, processo que ocorre no complexo IV (citocromo c oxidase) como citado anteriormente, no entanto, uma pequena fração do oxigênio molecular é liberada do citocromo c oxidase na forma de espécies reativa de oxigênio (EROs), também denominadas radicais livres. Estima-se que em torno de 5% de todo oxigênio consumido pela respiração celular será convertido em algum tipo de radical livre ou EROs. São altamente reativos e instáveis, possuindo vida curta. Os radicais livres são responsáveis por causar danos estruturais nas células, é importante, porém, ressaltar que em células musculares, os radicais livres, quando presentes em baixas concentrações, exercem importantes funções fisiológicas, que vão desde o aumento da permeabilidade ao Ca2+ e aumento da força durante a contração muscular, até a regulação da expressão genica. Além disso, a pratica de exercícios físicos pode ainda aumentar as concentrações de oxido nítrico (NO), que está relacionada com a regulação do fluxo sanguíneo, expressão genica e modulação da contração muscular. As formas mais comumente encontradas de radicais livres são o ânion superóxido (O2), o peroxido de hidrogênio (H2O2) o radical hidroxila (OH) e o oxigênio singlete (ϪGO2), O2 e OH- são denominados radicais livres por possuírem um elétron a menos na ultima camada de valência, enquanto o restante é denominada de EROs. A formação de radicais livres não está somente ligada à cadeia respiratória da mitocôndria, mas também os neutrófilos (células do sistema imunológico) podem formar radicais livres via NADPH-oxidase, como forma de oxidar bactérias, vírus ou outros agentes infecciosos; os peroxissomos durante a β-oxidação dos ácidos graxos produzindo H2O2 durante a isquemia em que há formação de xantina por meio da oxidação da hipoxantina pela xantina oxidase, enzima que utiliza o oxigênio como aceptor de elétrons podendo formar O2. A formação de radicais livres também está relacionada a fatores ambientais e hábitos de vida sedentários, tais como ingestão de bebidas alcóolicas, fumo e dietas extremamente calóricas, além de outros fatores como poluição, exercícios físicos. Células cancerígenas e o próprio envelhecimento também são causadores do estresse oxidativo. Isso pode ocorrer pela exposição ao peroxido de hidrogênio, ciclização-redox de quinonas, ou agentes tiol-alquilantes, envolvendo o acumulo de radicais livres e EROs. Sob condições elevadas de radicais livres e EROs, podem ocorrer danos nas estruturas do DNA, do RNA, de proteínas e componentes lipídicos levando à morte celular (apoptose). Entretanto, as células são capazes de formar enzimas que protegem contra a formação de radicais livres e EROs essas enzimas são consideradas antioxidantes, que incluem a superóxido dismutase (SOD), a glutationa peroxidase (GSH-PX), a glutationa redutase (GSSG-GR) e a catalase (CAT), sendo estas responsáveis pela remoção do ânion superóxido, hidroperoxidos orgânicos e peróxidos de hidrogênio. E existem também antioxidantes não enzimáticos que são as vitaminas A, C e E, a glutationa reduzida (GSH), a ubiquinona, o acido úrico, a L-cisteína, a fenilanina e a glicose. O desequilíbrio entre a produção de radicais livres e sua subsequente inativação e secreção pelos sistemas antioxidantes é denominados estresse oxidativo. O estresse oxidativo é causado pelo excesso de radicais livres e causa danos moleculares às estruturas da célula, com consequentes alterações funcionais e prejuízo das funções vitais em diversos tecidos e órgãos, dentre os quais, musculo esquelético, fígado, tecido adiposo, coração e cérebro. Antioxidante são um conjunto de substância compostas por vitaminas, minerais, pigmentos naturais e outros compostos vegetais e, ainda, enzimas que podem neutralizar os efeitos danosos dos radicais livres. Os antioxidantes mais conhecidos são o beta caroteno (derivado da vitamina A) a vitamina C e a vitamina E. Os antioxidantes podem agir de três formas na defesa orgânica contra os radicais livres. Na primeira, que é a de prevenção, se caracteriza pela proteção contra a formação da substancia agressora. Na segunda forma, pode ocorrer a interceptação, nesse estagio, os antioxidantes precisam interceptar os radicais livres, os quais, uma vez formados, iniciam seus efeitos deletérios. E por fim, o reparo, que ocorre quando a prevenção e a interceptação não foram completamente efetivas e os produtos da destruição dos radicais livres estão continuamente formados em baixas quantidades e desta forma podem se acumular no organismo. 4.7 via das pentoses-fosfato e NADPH A via das pentoses-fosfato é um importante conjunto de reações químicas que acontecem no citoplasma das células. A via é formada por duas reações de oxidação irreversível, seguidas por uma serie de reações não oxidantes reversíveis de açúcar-fosfato. Durante as reações químicas, nenhum ATP é gasto ou sintetizado. As reações ocorrem de acordo com a demanda e a oferta de seus intermediários. Durante as reações do ciclo são formadas moléculas de NADPH um importante redutor bioquímico, além de sintetizar ribose-5-fosfato, necessária para a síntese de nucleotídios. A primeira fase da via das pentoses-fosfato formada por reações de oxidação, de acordo com o tecido essas reações de oxidação, de acordo com o tecido essas reações desempenham funções diferentes. No fígado e nas glândulas mamarias, sintetizando acido graxos; no córtex adrenal a síntese de esteroides dependentes de NADPH e; nos eritrócitos, formando NADPH que mantem a glutationa reduzida. A redução da glutationa nos eritrócitos permite a diminuição dos conteúdos intracelulares de radicais livres e de peróxidos que causam a morte celular. Conjunto de raçoes da via das pentoses-fosfato estão enumeradas a seguir: Reação I A primeira reação da via pentoses-fosfato é feita pela desidrogenação da glicose-6-fosfato catalisada, pela glicose-6-fosfato desidrogenase (G6PD), formando 6-fosfogliconolactona. Durante esse processo, uma molécula de NADP+ é reduzida, formando NADPH. A relação NADPH/NADP+ controla a atividade da G6PD, dessa forma, quando há o aumento na relação NADPH/NADP+, ocorre uma menor ativação da enzima. Outro fator que controla a via são os níveis da insulina, responsáveis pelo aumento da expressão genica de G6PD. Reação II O segundo passo da via é marcada por duas reações. Na primeira a 6-fosfogliconolactona hidrolase, formando 6-fosfogliconato, que sofre a segunda reação, sendo descarboxilada e oxigenada pela 6-fosfogliconato desidrogenase, formando uma pentose-fosfato, a ribulose-6-fosfato, uma molécula de CO2 e mais uma molécula de NADPH. As próximas reações do ciclo das pentoses são denominadas conjunto de reações não oxidativas reversíveis. Essas reações são responsáveis pela formação de açucares de três, quatro, cinco, seis e sete carbonos. A ribulose-5-fosfato produzida nas reações oxidativas é transformada em ribose-5-fosfato, que pode servir como intermediário da via glicolítica, formando frutose-6-fosfato ou gliceraldeido-3-fosfato. Podendo ser utilizada também para a síntese de nucleotídios. Quando a necessidade de síntese de NADPH nas células é maior do que de ribose-5-fosfato, a ribose-5-fosfato é rapidamente convertida para frutose-6-fosfato ou gliceraldeido-3-fosfato, sendo utilizada no metabolismo intermediário. Quando a necessidade de síntese de ribose-5-fosfato é maior que de NADPH, são convertidas em ribose-5-fosfato. Esses mecanismos se fazem necessários quando, no caso de maior demanda de NADPH em reduzir a glutationa, diminuindo os níveis intracelulares de radicais livres e de peróxidos, e no caso da maior demanda de ribose-5-fosfato para a formação de ácidos nucleicos e de nucleotídios. 4.7.1 O papel do NADPH na célula Diferentemente do NAD+, o NADP+ possui apenas uma molécula a mais de fosfato em sua estrutura química, isso faz que essa molécula interaja com determinadas enzimas na célula. A relação de NAD+/NADPH dentro da célula também determina qual reação enzimática será desencadeada. Ou seja, quando a relação de NAD+/NADPH permite, por exemplo, nos eritrócitos que sejam desencadeadas reações de redução, já quando a relação NAD+/NADPH está alta, ocorrem reações de oxidação. O NADPH é uma molécula de alta energia, ao contrario do NADH, que é direcionado para a cadeia transportadora de elétrons para a síntese de ATP, o NADPH é utilizado para a redução de biomoléculas na célula. O NADPH tem a capacidade de formar glutationa reduzida, ou seja, isso acontece pela capacidade que o NAPDH tem em doar seus elétrons para as moléculas de glutationa. Com o aumento da glutationa reduzida junto com o selênio como cofator ligado a glutationa peroxidase, há inibição da ação degeneradora do peroxido, que é produzido pelas células em condições de estresse oxidativo, que pode ser causado durante o exercício físico, por uma serie de condições patológicas (como câncer e doenças inflamatórias) ou pelo próprio envelhecimento. As células dos eritrócitos são dependentes da via das pentoses-fosfato para formar NADPH, quando há deficiência na enzima G6PD, os níveis de NAPDH diminuirão, causando estresse oxidativo pelo excesso de peroxido o que pode levar à morte celular. O NADPH tem ação, também, em um sistema chamado de citromo P450-monoxigenase, apresenta papeis diferentes em dois locais da célula. Citocromo P450-monoxigenase mitocondrial tem com função a hidroxilação de esteroides, esse sistema age transformando os esteroides em hormônios esteroides ativos, em tecidos como na placenta, nas gônadas e no córtex da adrenal. O fígado também utiliza esse mecanismo para formar sais biliares, assim como os rins para transformar a vitamina D na sua forma ativa. Citocromo P450-monoxigenase microssonal esta associado a membrana dos retículos sarcoplasmático lisos e são responsáveis pela metabolização de drogas no organismo, assim como substancia estranhas (incluindo poluentes a base de petróleo, composto carcinogênicos e pesticidas). Esses sistemas utiliza o NADPH como doador de elétrons para transformar essas substancia toxicas em substancia menos agressivas ao organismo e facilitar sua excreção.