1

Metabolismo dos carbohidratos e das gorduras

no exercício físico

Departamento de Biomedicina da Faculdade de Medicina do Porto

ruifonte@med.up.pt

A contração de uma fibra muscular é uma consequência da despolarização da

membrana sarcoplasmática. Esta despolarização origina-se na ligação da acetilcolina

libertada no terminal do axónio dos neurónios motores aos recetores nicotínicos da

membrana pós-sináptica da placa motora.

2

Com origem no retículo sarcoplasmático

(e no meio extracelular) o Ca2+ move-se para

o citoplasma.

A [Ca2+] citoplasmática

↑ 100 vezes (0,1 µM → 10 µM)

A contração termina quando o Ca2+ é bombeado para o interior do retículo sarcoplasmático e para o meio extracelular (ATPases do Ca2+) regressando às concentrações de repouso.

(A [Ca2+] também ↑ na mitocôndria)

Filamentos grossos (miosina)

Filamentos finos (actina, tropomiosina, troponina) Sarcómero distendido

Sarcómero contraído

Ca2+ ligado a troponina C ligação actina-miosina…

ATP + H2O

ADP + Pi

A contração muscular é o resultado do deslizamento entre os filamentos finos e grossos com aumento do grau de sobreposição entre estes filamentos encurtamento do sarcómero e das miofibrilas.

O processo de contração/relaxamento consome ATP: - ATPase da miosina- ATPases do Ca2+

Os músculos são “máquinas” que convertem energia química em movimento.

Ca2+

3

ATPase da miosina

4

0,22

18,9

46,2

1,12

21

49

0

10

20

30

40

50

60

descanço maratona sprint de 100 m

Despesa

energética

(kcal/min)

músculo esquelético

organismo

20%

90%

94%Despesa

energética nos

músculos/min Despesa

energética total/min

A razão…

Esta razão é, em repouso, de ≈ 20 % e aumenta com o exercício. É maior nos exercícios de tipo anaeróbico (até ≈ 94%) que nos de tipo aeróbico (até ≈ 90%), aumentando com a intensidade do exercício.

A despesa energética do organismo como um todo é, maioritariamente, o somatório:

despesa energética basal (BMR) + despesa associada ao exercício físico.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

BMR dormir barrer ochão

caminhar 5km/h

"jogging" maratona sprint 100m

Despesa

energética

total

(kcal/min)

Se considerarmos o organismo como um todo 1- um atleta durante a maratona tem uma despesa ≈ 20 xs superior à basal.2- um sprinter enquanto corre os 100 m tem uma despesa ≈ 50 xs superior à basal.

1,1 kcal/min

O ATP (5 mM) que está presente nas fibras musculares só seria capaz de manter a

contração muscular durante uma fração de segundo ou poucos segundos mas,

mesmo quando o exercício físico é intenso, a concentração de ATP praticamente não

varia. Cada molécula de ATP que sofre hidrólise é imediatamente reposta. Como?

Fosfo-creatina

Creatina

ADP

ATP

Glicogénio

G1P

lactato

ADP

ATP

VLDL no plasma

G6PADP

ATP

Glicogénio

G1P

CO2

TAG

das próprias

fibras

(triacilgliceróis

intramiocelulares)

ADP

ATP

CO2CO2

TAG do tecido adiposo

FFA

ADP

ATP

CO2

no plasma

Acil-CoA

Lípase de lipoproteínas

Acil-CoAADP

ATPCO2

FFA

no plasma

Acil-CoA

Os aminoácidos têm um contributo relativamente pequeno: talvez 1-5% da energia (?) 5

A maioria das atividades inclui exercícios de vários tipos (anaeróbico, aeróbico e

misto), mas é útil fazer a distinção entre exercício aeróbico e anaeróbico.

Tipo de exercício anaeróbico aeróbico

Exemplos halterofilismo, sprint de 100 m, saltos, rematar com força

caminhar, correr (por exemplo, a maratona)

Irrigação e consumo de O2

dos músculos implicados

Aumento nulo ou irrelevante Aumento muito marcado (pode ser de 100 xs)

Substituição do ATP

hidrolisado dependente

de...

Fosfocreatina, glicogénio armazenado nos músculos em contração e glicólise anaeróbica

Oxidação completa (a CO2) de nutrientes armazenadosno músculo, mas tb no tecido adiposo e no fígado

Potência (gasto energético

/unidade de tempo)

Muitíssimo elevada; nas fibras em contração, o gasto de ATP pode ser 300 xs superior ao de repouso

Menos elevada que no anaeróbico mas, quando a intensidade é elevada (taxa de consumo de O2 elevado),nas fibras em contração, o gasto de ATP pode ser 130 xssuperior ao de repouso

Duração Curta Pode ser longa

Tipo de fibras

predominantemente

implicadas

Tipo II (brancas, glicolíticas ou de contração rápida)

Tipo I (vermelhas, oxidativas, ou de contração lenta)

6

Embora o tempo em que o exercício de tipo aeróbico pode manter-se dependa da

intensidade (e do treino), em geral, pode prolongar-se por horas.

7

Num dado indivíduo a intensidade do exercício

aeróbico costuma medir-se como a percentagem de vel. de consumo de O2

relativamente ao VO2 máximo

Intensidade baixa ⇔≈ 25% do VO2 max

Intensidade intermédia ⇔geralmente de 45-60% do VO2 max

Intensidade elevada ⇔> 80% do VO2 max

Exemplos: caminhar a 5 km/h ⇔ 4-5 kcal/min, correr a maratona ⇔ 20-25 kcal/min.(A despesa energética em repouso ≈ 1,1 kcal/ min.)

Exercício

anaeróbico;

tempo curto

porque

“esgota”

fosfocreatina

e acumula H+

exercício aeróbico

Consumo de O2 mantém-se no máximo; 100 % VO2 max

Nos exercícios de tipo aeróbico, a ação da cínase da creatina é relevante porque

permite aumentar a velocidade com que a energia do ATP formado na matriz

mitocondrial fica disponível para a ATPase da miosina.

ATPase da miosina

ADP ATP

Cínase da creatina

(junto da miofibrilas)

Cínase da creatina

(espaço intermembranar da mitocôndria)

matriz mitocondrialATPADP

ATPADP

creatinafosfocreatina

H2OPi

8

ATP + H2O → ADP + Pifosfocreatina + ADP → ATP + creatina

Dependendo da intensidade do exercício, as concentrações da fosfocreatina e da creatina vão manter-se estacionárias a partir do min 1-10.

Spriet e col. Med Sci Sports Exerc; 2000; 32:756

35% do VO2max

65% do VO2max

90% do VO2max

9

1- Nos exercícios aeróbicos a

produção de lactato =

consumo de lactato.Nos primeiros minutos de um exercício aeróbico de intensidade intermédia ou elevada, há aumento moderado da

concentração lactato no plasma, mas a

partir de um dado momento

(alguns minutos) a velocidade de

oxidação de ácido láctico iguala a

sua formação: deixa de haver

acumulação de lactato e de

protões.

0

1

2

3

4

5

0 10 20 30 40 50

con

cen

traç

ão p

lasm

átic

a (m

M)

tempo (min)

variação das concentrações plasmáticas de glicose e lactato num exercício aeróbico de intensidade intermédia

Glicose (mM)

Lactato (mM)

primeiros 5 min

glicose

lactato

CO2

últimos 45 min

glicose

lactato CO2

vα = vβ

va > vb

va = vb

vα = vβ

CO2

CO2

outros nutrientes

outros nutrientes

outros nutrientes

2- No exercício aeróbico há utilização de nutrientes que vêm de

fora das fibras musculares.

Devido ao aumento do débito cardíaco (efeito adrenérgico β) e à vasodilatação local (efeito predominante de libertação local de vasodilatadores como a adenosina), num músculo em exercício aeróbico, o fluxo sanguíneo nos músculos em exercício pode aumentar cerca de 100 vezes.

O débito respiratório também aumenta.

Nos adipócitos, a lipólise intracelular aumenta libertando ácidos gordos livres para o plasma (NEFA = non esterified

fatty acids = FFA = ácidos gordos livres plasmáticos).

A glicogenólise e a produção de glicose aumentam no fígado.

Para além dos combustíveis presentes nas fibras musculares (glicogénio e TAG intramiocelulares), o músculo usa combustíveis que estão fora do músculo.

A razão entre a oxidação de glicose plasmática e a oxidação os ácidos gordos livres plasmáticos

depende um pouco do estado nutricional e muito do nível de intensidade do exercício.Estado pós-prandial favorece a oxidação da glicose enquanto estado pós-absortivo favorece a oxidação dos ácidos gordos.Os níveis de intensidade baixa favorecem a oxidação dos ácidos gordos livres enquanto os níveis de intensidade intermédia e elevada favorecem a oxidação de glicose (e ainda mais a oxidação do glicogénio das fibras em contração).

As quantidades e o tipo de nutrientes oxidados durante os exercícios aeróbicos

variam com a intensidade do exercício.1- A oxidação da glicose sanguínea (= glicogénio hepático) aumenta com a intensidade do exercício.

2- O contributo do glicogénio das fibras musculares em atividade contráctil aumenta muito para intensidades acima de 25% do VO2

max.

3- Entre o repouso e 25% do VO2max a oxidação dos ácidos gordos livres (FFA) aumenta, mas acima de 25% do VO2 max passa a haver diminuição.

4- A oxidação dos TAG intracelulares + TAG das VLDL (TAG=triacilgliceróis) aumenta com a intensidade, mas deixa de aumentar quando a intensidade do exercício fica acima de 50% do VO2 max.

11

0

5

10

15

20

25

0% 25% 50% 80%

kca

l/m

in

Intensidade do exercício (% VO2 max)

Glicogénio do músculo

Glicose sanguínea (glicogénio hepático)

TAG (VLDL e intramiocelular)

FFA (lipólise tecido adiposo)

5- O Quociente Respiratório aumenta quando a intensidade do exercício aumenta acima de 25% do VO2 max aproximando-se de 1 para exercícios de alta intensidade.

Repouso

Loon et al. (2001) J Physiol 536: 295-304; exercício no estado pós-absortivo.

Que fatores dentro dos músculos estimulam a captação e a oxidação

da glicose quando a intensidade do exercício aeróbico aumenta?

1-De forma independente da insulina, por um mecanismo que envolve a ativação da AMPK (pelo AMP ↑), o exercício provoca a mobilização para a membrana sarcoplasmática de moléculas de GLUT4.

2- [AMP] ↑ ↑ da cínase 1 da frutose-6-P e ↓ da fosfátase da frutose-1,6-BisP.

A velocidade líquida no processo glicolítico é a diferença entre as velocidades das reações catalisadas pela cínase e pela fosfátase envolvidas no ciclo de substrato frutose-6-P ↔ frutose-1,6-BisP (va-vb).

Glicose-6-P

Frutose-6-P

Frutose-1,6-BisP

Piruvato

va-vb=1

ATP

ADPH2O

Pi

va=40vb=39

va-vb=1

[AMP]↓

Glicose-6-P

Frutose-6-P

Frutose-1,6-BisP

Piruvato

va-vb=1000

ATP

ADPH2O

Pi

vb=20

va-vb=1000

[AMP]↑ va=1020

A contração

muscular provoca

[ADP] ↑ (≈ 4 x) e

[AMP] ↑ (≈ 20 x).

O AMP é ativador da cínase-1 da frutose-6-P e inibidor da frutose-1,6-bisfosfátase.

STOP +

13

3-O ↑ do [Ca2+] no sarcoplasma também

difunde para as mitocôndrias onde a [Ca2+]

também ↑ ativando a desidrogénase do

piruvato (via ativação da fosfátase da

desidrogénase do piruvato), das

desidrogénases do isocitrato e α-cetoglutarato,

da síntase do ATP e dos complexos I e IV da

cadeia respiratória.

piruvato

Acetil-CoA

H2O

PiFosfátase da desidrogénase

do piruvato

Ca2+

desidrogénase do

isocitrato

desidrogénase do

α-cetoglutarato

Ca2+

NADH

Complexo

I

Complexo

IV

e-

O2

Síntase do

ATP

ADP + Pi ATP

Ca2+Ciclo de Krebs

O efeito ativador do ADP nas desidrogénases do isocitrato e α-cetoglutarato e na síntase do

ATP, assim como o efeito ativador do Ca2+ nas mesmas enzimas e ainda nos complexos I e

IV da cadeia respiratória ajudam a explicar o aumento da oxidação de todos os nutrientes

(que, em todos os casos, é sempre maior durante o exercício que no repouso).

ADP ↑4- O [ADP] ↑ e ativa as desidrogénases

do isocitrato e α-cetoglutarato e a síntase do ATP.

ADP

A captação e a oxidação da glicose sanguínea aumentam com a intensidade do

exercício, mas não é frequente haver hipoglicemia durante o exercício físico.

Normalmente a glicemia mantêm-se “estacionária” porque a produção hepática de glicose aumenta de forma paralela à custa do aumento da glicogenólise (a gliconeogénese praticamente não varia durante o exercício).

As catecolaminas podem estimular diretamente a glicogenólise hepática. No entanto, apesar de haver aumento da produção de catecolaminas durante o exercício, a convicção atual é que não têm um papel direto na produção hepática de glicose durante o exercício.

Hodgetts e col. (1991) JAP 445

Que fatores provocam a mobilização do glicogénio hepático?

14

Adrenalina ↑ + estimulação simpática↑

[glicagina][insulina]

↑

no plasma

glicogénioInibição da produção de insulina nas células β

Em exercícios de baixa intensidade os

ácidos gordos plasmáticos (FFA) são o

principal combustível dos músculos em

exercício aeróbico.Que fatores poderão ajudar a explicar este aumento de consumo de ácidos gordos livres plasmáticos?

A [FFA] no plasma mantém-se estacionária porque quer o ↑ da adrenalina e noradrenalina, quer a ↓ da insulina contribuem para o aumento da lipólise

Dentro dos músculos:

1- Translocação do transportador de ácidos gordos FAT/CD36 para a membrana

sarcoplasmática ↑ captação de ácidos gordos.

2-A ativação pelo Ca2+ das desidrogénases do ciclo de Krebs, dos complexos I e IV da cadeia respiratória e síntase do ATP estimulam a oxidação dos ácidos gordos.3-O ADP estimula a síntase de ATP.

O malonil-CoA intramuscular não varia

durante o exercício e, por isso, pensa-se que não tem relevância no aumento da oxidação de ácidos gordos durante o exercício físico.

(via ↑ das formas fosforiladas da perilipina, da lípase TAG do tecido adiposo e da lípase hormono-sensível).

↑ da libertação de FFA, mas [FFA] no plasma não varia.

Quando a intensidade do exercício é de

intensidade intermédia ou elevada, o

contributo dos carbohidratos (glicogénio

muscular e glicose sanguínea) ↑, mas ↓ o

contributo dos ácidos gordos livres (FFA).

Porque é que (relativamente aos exercícios

de intensidade baixa) diminui a oxidação

dos FFA?

Fatores intramusculares.

1- A par da estimulação da oxidação da glicose também há aumento da glicólise e aumento da produção de lactato com descida do pH.

2- O aumento do fluxo na desidrogénase do piruvato leva à acumulação de acetil-CoA que reage com a carnitina (formando acetil-carnitina)limitando a quantidade de carnitina disponível.

glicose → piruvato → acetil-CoA ↑ carnitina + acetil-CoA → acetil-carnitina + CoA [carnitina] intramiocelular ↓

16

↓ da oxidação em β

↓ atividade da carnitina-palmitil transférase 1

glicogénio das fibras

glicose

Quando a intensidade do exercício aeróbico é

intermédia ou elevada o contributo do glicogénio

das próprias fibras aumenta. Porquê?

glicogénio das fibras

Glicogenólise ↑. Porquê?

1º - O Ca2+ ↑ ativação da cínase da fosforílase

2º- O aumento da hidrólise do ATP [AMP] ↑

3º [Pi] ↑ resultante da ↓ de fosfocreatina

ativação da fosforílase do

glicogénio

Glicogénio

Pi

4º - A adrenalina circulante (que aumenta durante o exercício) poderá ter algum papel facilitador via recetores β, ativação da PKA efosforilação (ativação) da cínase da

fosforílase.

Mas a adrenalina sem exercício muscular e ↑ da [Pi] NÃO provoca aumento da fosforólise.

A hidrólise dos TAG acumulados nas

próprias fibras musculares (≈ 300 g no

total) e

a subsequente oxidação dos ácidos

gordos libertados

também contribuem para a substituição

do ATP durante o exercício aeróbico.

Pensa-se que o contributo dos TAG das VLDL para a despesa energética durante o

exercício muscular é quantitativamente pouco relevante.

O exercício físico aumenta a síntese da lípase de lipoproteínas do tecido muscular (efeito a longo prazo): este é um efeito com importância na descida das VLDL plasmáticas, mas o contributo dos TAG das VLDL para a despesa energética do músculo é irrelevante. A massa total de TAG plasmáticos num indivíduo saudável é de 3 g (1% da massa dos TAG intramiocelulares).18

Triacilgliceróis intramiocelulares (e das VLDL)

gotícula TAG

miofibrilas

O exercício anaeróbico é de curta

duração porque o aumento da velocidade

da glicólise (↑↑↑↑) é muitíssimo mais

marcado que o aumento nas atividades das

lançadeiras envolvidas no transporte de

eletrões para dentro da mitocôndria (↑) e da

cadeia respiratória (↑) . Glicose-6-P

Piruvato

Gliceraldeído-3-P

1,3-bisfosfo-glicerato

NAD+

NADH

Ácido Láctico

A descida do pH limita o tempo em que o exercício anaeróbico pode decorrer porque o pH ácido:1º- inibe a fosforílase do glicogénio e a cínase-1 da frutose-6-P2º- inibe o próprio processo de contração: a saída de cálcio do retículo sarcoplasmático, a ligação do Ca2+ à troponina C e a atividade da ATPase da miosina.

Numa fibra em exercício exclusivamente

anaeróbico a glicólise pode aumentar 1000 xs, mas o consumo de O2 não aumenta.

Frutose-6-P

Frutose-1,6-BisP

H+

H+

19

Glicose-1-P

Glicogénio

Ca2+

ATPase

RSCa2+

Glicose → 2 ácido láctico → 2 lactato- + 2 H+

Pi

H+

Quando o exercício para, o ácido láctico (lactato + H+) oxida-se a CO2 e o pH normaliza-se.

Nos exercícios de tipo anaeróbico, a ação da cínase da creatina é relevante, mas a

fosfocreatina esgota-se em alguns segundos.

ATPase da miosina

ADP ATP

Cínase da creatina

(junto da miofibrilas)

Cínase da creatina

(espaço intermembranar da mitocôndria)

matriz mitocondrialATPADP

ATPADP

creatinafosfocreatina

Quando o exercício anaeróbico pára ocorre a reposição dos níveis de fosfocreatina por ação de moléculas da cínase da creatina situadas no espaço intermembranar da mitocôndria onde o quociente de reação favorece a reação inversa de fosforilação da creatina pelo ATP.

descida da fosfocreatina em 10 s de exercício anaeróbico

10 s

H2OPi

20

ATP + H2O → ADP + Pifosfocreatina + ADP → ATP + creatina

No exercício anaeróbico, a fosforólise do glicogénio situado nas fibras musculares

que estão a contrair é muito estimulada sustentando um aumento da glicólise que

pode ficar 1000 vezes mais rápida que no repouso.

1º - O Ca2+ ↑ (≈ 100 xs) ativação da cínase da

fosforílase

2º- O aumento da hidrólise do ATP [AMP] ↑ (≈ 20 xs)

3º [Pi] ↑ (≈ 10 xs) resultante da ↓ de fosfocreatina

(A)- Fatores que contribuem para a

ativação da glicogenólise:

ativação da fosforílase do

glicogénio

Glicogénio

Glicose-1-P

Pi

21

[AMP] ↑ ↑ da cínase 1 da frutose-6-P e ↓ da fosfátase da frutose-1,6-BisP.

Glicose-6-P

Frutose-6-P

Frutose-1,6-BisP

Piruvato

va-vb=1000

ATP

ADPH2O

Pi

vb=20

va-vb=1000

[AMP]↑ va=1020STOP +

(B)- Fatores que contribuem

para a

ativação da glicólise:

NADHNAD+

lactato

deve-se à ativação explosiva da glicólise sem que aumente proporcionalmente a oxidação do NADH (formado por ação da desidrogénase do

gliceraldeído-3-P).

(C)- O aumento explosivo da concentração

de lactato dentro das fibras em contração (e

o consequente aumento da lactacidemia)

Efeitos a longo prazo do exercício físico continuado (treino atlético) no metabolismo.

1- O exercício físico aeróbico continuado aumenta a sensibilidade à insulina porque…… estimula a síntese de GLUT4 aumentado a capacidade da insulina para estimular a captação de glicose nas fibras musculares.

3- O exercício físico anaeróbico aumenta a síntese das proteínas que são componentes das miofibrilas: hipertrofia

das fibras musculares (quer as de tipo 1 quer as de tipo 2).

2- O exercício físico continuado estimula a síntese da

lípase de lipoproteínas muscular ↓ [TAG do plasma] (das VLDL e dos quilomicra) porque acelera a sua degradação.

4- O exercício físico aeróbico não provoca hipertrofia muscular, mas aumenta a quantidade de mitocôndrias,

dos transportadores membranares FAT/CD36

e FABPpm assim como a densidade da rede

capilar,

aumentando a capacidade para exercícios aeróbicos. 22

transporteácidos gordos dentro da fibra muscular

ácidos gordos

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