Metabolismo dos corpos cetónicos; Rui Fontes Metabolismo dos corpos cetónicos 1- Durante o jejum a glicemia diminui induzindo diminuição da libertação de insulina nas células dos ilhéus de Langerhans. Nos adipócitos, a descida da insulinemia provoca aumento da actividade da lípase hormono-sensível (hidrólise dos triacilgliceróis) e consequente libertação de ácidos gordos para o sangue. Nestas circunstâncias, a maior parte dos tecidos (nomeadamente os tecidos muscular esquelético e cardíaco) utiliza os ácidos gordos como combustível preferencial poupando glicose. Contudo, no cérebro (por razões desconhecidas [1]) a oxidação dos ácidos gordos tem um papel irrelevante do ponto de vista energético. Embora o combustível preferencial do tecido cerebral seja a glicose, à medida que o tempo de jejum aumenta, o cérebro passa também a usar como combustíveis os ácidos D--hidroxibutírico (CH3CHOHCH2COOH) e acetacético (CH3COCH2COOH) que são formados nas mitocôndrias do fígado por oxidação incompleta dos ácidos gordos. 2- Por razões de tradição os ácidos D--hidroxibutírico e acetacético e a acetona (CH3COCH3) são colectivamente designados de corpos cetónicos. No plasma sanguíneo a concentração dos corpos cetónicos varia de forma marcada com o estado nutricional: de valores da ordem de 0,02 mM (após uma refeição contendo glicídeos), aumenta para valores de 0,2 mM após 12-15 horas de jejum mas pode atingir valores tão altos como 6 mM após um jejum muito prolongado (vários dias). Nas crises de cetoacidose do diabético (diabetes tipo I) a concentração plasmática de corpos cetónicos pode ser 12 mM. A acumulação de corpos cetónicos no plasma sanguíneo chama-se cetose e deve-se a aumento na velocidade da sua síntese (cetogénese). 3- No homem, a cetogénese ocorre nas mitocôndrias do fígado sendo o substrato para a formação dos corpos cetónicos a acetil-CoA formada durante a oxidação em dos ácidos gordos. À via metabólica em que se forma o acetoacetato também se chama ciclo do hidroxi-metil-glutaril-CoA (HMG-CoA) ou ciclo de Lynen. Por acção catalítica sucessiva da tiólase (equação 1) e da síntase do HMG-CoA (equação 2) três resíduos de acetato (2C) da acetil-CoA dão origem ao resíduo -hidroxi-metil-glutaril (6C) da HMGCoA. A clivagem deste último composto por acção da líase do -hidroxi-metil-glutaril-CoA (equação 3) leva à formação do acetoacetato (4C) e acetil-CoA. A equação 4 é o somatório das equações 1-3 e mostra que o processo pode ser globalmente entendido como a formação de uma molécula com 4 carbonos (acetoatetato) a partir de dois resídeos acetilo (2C) do acetil-CoA. 2 acetil-CoA acetoacetil-CoA + CoA acetil-CoA + acetoacetil-CoA + H2O HMG-CoA + CoA HMG-CoA acetil-CoA + acetoacetato 2 acetil-CoA + H2O acetoacetato + 2 CoA (1) (2) (3) (4) 4- Parte do acetoacetato formado pode converter-se nos outros dois corpos cetónicos. O ácido hidroxibutírico (4C) forma-se por acção catalítica da desidrogénase do D--hidroxibutirato (equação 5) enquanto a descarboxilação do acetoacetato (com formação da acetona) é não enzímica (equação 6). acetoacetato + NADH D--hidroxibutirato + NAD+ acetoacetato acetona + CO2 (5) (6) 5- A acetona não sofre metabolização no organismo e é eliminada nos pulmões e na urina. Os ácidos D-hidroxibutírico e acetacético não são utilizados como combustíveis pelo fígado. O seu transporte da mitocôndria para o citoplasma e do citoplasma para o espaço extra-celular envolve a actividade de simporters protão-monocarboxilatos [2]. Vertidos pelo fígado na corrente sanguínea entram em todas as células do organismo (via simporte com o protão) constituindo, juntamente com os ácidos gordos, os combustíveis preferenciais dos tecidos extra-hepáticos durante o jejum prolongado. O D--hidroxibutirato é uma espécie de fundo de saco metabólico: a enzima que no fígado permite a formação de D-hidroxibutirato (ver equação 5) é a mesma que, nos tecidos extra-hepáticos, permite a sua metabolização. No fígado, a desidrogénase do D--hidroxibutirato catalisa a formação de D--hidroxibutirato a partir de acetoacetato mas, nos tecidos extra-hepáticos, catalisa a sua oxidação e a consequente formação de acetoacetato. A metabolização do acetoacetato implica a sua “activação” a acetoacetil-CoA numa reacção Página 1 de 3 Metabolismo dos corpos cetónicos; Rui Fontes de transferência de CoA em que o substrato dador é o succinil-CoA. Ao contrário do que acontece no fígado a conversão de succinil-CoA em succinato no ciclo de Krebs (que implica a acção catalítica da sintétase de succinil-CoA: succinil-CoA + GDP + Pi succinato + CoA + GTP) pode, nos tecidos extrahepáticos e quando os corpos cetónicos estão a ser oxidados, envolver uma transférase (a succinil-CoAacetoacetato-CoA-transférase: ver equação 7) que catalisa a transferência do CoA do succinil-CoA para o acetoacetato. O acetoacetil-CoA formado sofre cisão tiolítica (equação 1) e o acetil-CoA formado é oxidado, no ciclo de Krebs, a CO2. O papel biológico da succinil-CoA-acetoacetato-CoA-transférase como uma enzima importante no processo oxidativo dos corpos cetónicos fica evidenciado pelo facto de não existir no fígado (que não consome corpos cetónicos) e existir nos tecidos que (como os músculos e o cérebro) podem consumir corpos cetónicos [3]. succinil-CoA + acetoacetato succinato + acetoacetil-CoA (7) 6- A cetogénese aumenta durante o jejum e na diabetes tipo I porque, nestas circunstâncias, (i) há diminuição da razão [insulina]/[glicagina] que implica uma (ii) oferta aumentada de ácidos gordos livres ao fígado e uma (iii) diminuição da actividade de síntese de malonil-CoA cuja concentração baixa permitindo (iv) um aumento da velocidade da oxidação em e da síntese de acetil-CoA (v) cuja oxidação só ocorre na exacta medida das necessidades metabólicas neste órgão. Para além disto, a diminuição da razão [insulina]/[glicagina] também (vi) estimula directamente o ciclo de Lynen estimulando a actividade da síntase da HMG-CoA [4]. No caso do homem, a glicagina só exerce efeitos no fígado mas é neste órgão que ocorre a síntese de corpos cetónicos. 7- A diminuição da insulina durante o jejum (ou a sua ausência na diabetes tipo I) implica um aumento na lipólise no tecido adiposo e aumento da concentração plasmática de ácidos gordos. Os ácidos gordos entram para as células do organismo (incluindo os hepatócitos) onde são activados a acis-CoA. No fígado, a carboxílase de acetil-CoA (acetil-CoA + CO2 + ATP malonil-CoA + ADP + Pi) é (1) inactivada por fosforilação dependente da AMPK e da PKA [5-6], (2) inibida alostericamente pelos acis-CoA e (3) a sua síntese está diminuída quando a glicemia e a insulinemia são baixas. A diminuição da síntese da carboxílase de acetil-CoA é uma consequência da diminuição da transcrição do seu gene que está na dependência do SREBP-1c e do ChERBP. O SREBP-1c diminui e o ChREBP mantém-se fosforilado e inactivo quando o jejum se prolonga e a insulina e a glicemia estão baixas. A diminuição da razão [insulina]/[glicagina] leva à diminuição da concentração intracelular do malonil-CoA nos hepatócitos porque nesta condição há diminuição da actividade da carboxílase de acetil-CoA. Em consequência da diminuição da concentração do malonil-CoA, ocorre aumento da velocidade da oxidação em o que implica aumento da formação de acetil-CoA. No fígado, ao contrário do que acontece no músculo (onde o destino metabólico da acetil-CoA é a sua oxidação no ciclo de Krebs), um dos possíveis destinos metabólicos da acetil-CoA formada é a formação de corpos cetónicos. 8- Um dos destinos metabólicos da acetil-CoA é a sua oxidação a CO2 no ciclo de Krebs mas a velocidade com que a acetil-CoA é oxidada no ciclo de Krebs depende da velocidade de hidrólise do ATP. Um aumento do consumo de acetil-CoA que permitisse compensar o aumento da sua formação só poderia ocorrer se houvesse, simultaneamente, um aumento proporcional no consumo de ATP hepático. Apesar de, devido à estimulação da gliconeogénese, o consumo de ATP estar aumentado no fígado durante o jejum e na diabetes de tipo I, este aumento é menor que o que seria necessário para permitir a oxidação de toda a acetil-CoA formada durante a oxidação dos ácidos gordos. O acetil-CoA remanescente, devido à presença das enzimas do ciclo de Lynen e à activação da síntase de HMG-CoA é convertida em corpos cetónicos. Por mecanismos onde se destaca a indução/repressão do seu gene, a glicagina activa e a insulina inibe a síntase da HMG-CoA. A cetogénese é um mecanismo que permite ao fígado oxidar grandes quantidades de ácidos gordos e, ao mesmo tempo, converter parte dos ácidos gordos aí chegados num combustível utilizável pelo cérebro. 9- A diabetes tipo I deve-se à incapacidade de produzir insulina por destruição das células dos ilhéus de Langerhans. Na ausência de terapêutica adequada podem ocorrer situações de crise que põem em risco a vida do doente. Uma dessas situações é a cetoacidose cuja causa é um aumento anormal da produção de corpos cetónicos. O pKa dos ácidos acetacético e d--hidroxibutírico é, em ambos os casos, inferior a 5 o que explica que, ao pH do sangue, estejam predominantemente na forma ionizada; ou seja, aquando da sua formação estes ácidos orgânicos sofrem protólise gerando H+ e os respectivos sais acetoacetato e D-- Página 2 de 3 Metabolismo dos corpos cetónicos; Rui Fontes hidroxibutirato. Os protões libertados levam a uma descida do pH do plasma sanguíneo (acidose). Durante a cetoacidose do diabético os triacilgliceróis do tecido adiposo acabam convertidos nos ácidos acetacético e -hidroxibutírico que são libertados para o plasma na forma dos respectivos sais e respectivos protões. 10- Algumas semelhanças entre a acumulação de ácido láctico durante o esforço muscular intenso e a cetogénese durante o jejum podem ser enfatizadas. Em ambos os casos ocorre (i) catabolismo incompleto de nutrientes (o catabolismo é incompleto porque, quer aquando da formação do ácido láctico, quer aquando da formação dos corpos cetónicos, o ciclo de Krebs e a fosforilação oxidativa não aceleram de forma proporcional à formação de piruvato ou acetil-CoA), (ii) acumulando-se intermediários do metabolismo que (iii) têm características ácidas e que (iv) são transportados através das membranas através da acção catalítica de simporters com o protão. Modificadas as condições que levaram à sua acumulação, (v) diminuem de concentração porque acabam por sofrer oxidação completa (ou, no caso do ácido láctico, também conversão em glicose no fígado). As diferenças referem-se aos órgãos onde se formam e onde são maioritariamente consumidos: no caso dos corpos cetónicos a formação é hepática e o consumo extrahepático; no caso do lactato a formação é extra-hepática e o consumo é maioritariamente hepático (ciclo de Cori). Também são diferentes os nutrientes de onde derivam: o lactato forma-se a partir da glicose e os corpos cetónicos a partir dos ácidos gordos. 1. Morris, A. A. (2005) Cerebral ketone body metabolism, J Inherit Metab Dis. 28, 109-21. 2. Halestrap, A. P. & Price, N. T. (1999) The proton-linked monocarboxylate transporter (MCT) family: structure, function and regulation, Biochem J. 343 Pt 2, 281-99. 3. Fukao, T., Lopaschuk, G. D. & Mitchell, G. A. (2004) Pathways and control of ketone body metabolism: on the fringe of lipid biochemistry, Prostaglandins Leukot Essent Fatty Acids. 70, 243-51. 4. Hegardt, F. G. (1999) Mitochondrial 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA synthase: a control enzyme in ketogenesis, Biochem J. 338 ( Pt 3), 569-82. 5. Saggerson, D. (2008) Malonyl-CoA, a key signaling molecule in mammalian cells, Annu Rev Nutr. 28, 253-72. 6. Berglund, E. D., Lee-Young, R. S., Lustig, D. G., Lynes, S. E., Donahue, E. P., Camacho, R. C., Meredith, M. E., Magnuson, M. A., Charron, M. J. & Wasserman, D. H. (2009) Hepatic energy state is regulated by glucagon receptor signaling in mice, J Clin Invest. 119, 2412-22. Página 3 de 3