Metabolismo de Lipídeos

Biossíntese de lipídeos
A biossíntese de ácidos graxos ocorre através da condensação de unidades de 2 átomos de Carbono num processo reverso à ß-oxidação.

Oxidação de Ácidos Graxos
A maior parte das reservas energéticas de organismos multicelulares é formada por triacilglceróis, devido a sua alta capacidade energética (por serem muito reduzidos), hidrofobicidade, que diminui o espaço ocupado, e baixa reatividade. A capacidade energética destes compostos é mais de o dobro da mesma massa de carboidrato ou proteína, mesmo sem considerar águas de solvatação. As mesmas propriedades que tornam estes compostos interessantes como depósitos de energia também geram alguns problemas, como a baixa absorção e necessidade de serem transportados pelo sangue associados a moléculas que são hidrossolúveis. Há também a necessidade de ativação destas moléculas em ácidos graxos ligados a CoA para que possam ser degradadas, devido a sua baixa reatividade basal.

As células obtém ácidos graxos da dieta, a partir de estoques locais e a partir da síntese de ácidos graxos (principalmente por hepatócitos e adipócitos), que podem ser exportados para outros tecidos. Esta forma de estocagem de energia é especialmente importante em animais. Nas plantas, é utilizada principalmente em sementes.

Triacilgliceróis provenientes da alimentação constituem cerca de 30% das calorias da dieta normal em paísesindustrializados. Para serem absorvidos pela parede intestinal, precisam ser dispersas em miscelas, através da ação de sais biliares sintetizados no fígado a partir de colesterol. Estes sais biliares emulsionam os triacilgliceróis e permitem que sejam metabolisados por lipases hidrossolúveis no intestino, sendo degradados a mono ou diacilgliceróis, ou ainda a ácidos graxos e glicerol livres. Estes são absorvidos pela mucosa intestinal, onde são combinados com proteínas e colesterol para formar os quilomícrons. Quilimicrons são um tipo de lipoproteína, uma forma de transporte plasmático e linfático de glicerídeos, formadas pela combinação de apoliproteínas e vários tipos diferentes de lipídeos. A parte protéica que ocupa a superfície das lipoprotéinas distintas pode ser reconhecida por receptores, que podem ativar sua hidrólise, por exemplo, pela lipoproteína lipase dos capilares do tecido adiposo ou sua internalização por hepatócitos, onde podem ser supridas de mais glicerídeos.

A mobilização de triacilgliceróis estocados é sinalizada hormonalmente pela epinefrina (adrenalina) ou glucagon. Estas ativam a adenilato ciclase do tecido adiposo, aumentando AMPc. Esta, por sua vez, ativam proteínas quinases que vão fosforilar a tracilglicerol lipase, produzindo glicerol e ácidos graxos a partir de triacilgliceróis. Os ácidos graxos são liberados para a corrente sangüínea, onde são transportados ligados à albumina para órgãos que necessitam de energia. O glicerol é fosforilado pela glicerol quinase a glicerol 3-fosfato, sendo oxidado depois a diidroxiacetona fosfato, intermediário da via glicolítica.

Kennedy e Lehninger demonstraram em 1948 que as enzimas que realizam a oxidação de ácidos graxos são intramitocondriais. Para entrar na mitocôndria, ácidos graxos são primeiramente ligados a CoA no citosol pelas acil-CoA sintetases, com hidrólise concomitante de ATP a AMP + PPi, numa reação que envolve a formação de acil-adenilato como intermediário. A acil-CoA formada não é permeável à membrana mitocondrial interna, e é convertida no espaço intermembranas a acil-carnitina pela carnitina aciltransferase I. A acil-carnitina á transportada para o interior da mitocôndria através de proteína transferase. No estroma, a acil-carnitina é convertida a acil-CoA pela carnitina aciltransferase II. A carnitina volta para o espaço intermembranar. Deste modo, não há troca entre os pools de CoA citosólicos e mitocondriais. Conclusão: o ácido graxo está ativo e pronto para sofrer a β' oxidação.

Na mitocôndria (estroma), a acil-CoA será oxidada pela β'  oxidação', uma seqüência de quatro reações altamente conservadas desde bactérias até animais mais complexos. Primeiro, há desidrogenação da ligação entre os carbonos α e β, gerando trans Δ2 enoil CoA, numa reação catalisada pela acil-CoA desidrogenase, uma proteína da membrana mitocondrial interna que existe em três isoformas específicas para o tamanho da cadeia carbônica. Os elétrons removidos reduzem FAD, que reduz a flavoproteína transferidora de elétrons da cadeia respiratória mitocondrial, que doa elétrons para a ubiquinona.

A seguir, a trans Δ2 enoil CoA é hidratada pela enoil-CoA hidratase a L β hidroxiacil CoA. O próximo passo envolve a formação de β cetoacil CoA, através de uma redução catalisada pela β hidroxiacil CoA desidrogenase,com redução de um NAD+. Por fim, é formada acetil CoA e acil CoA (com 2 carbonos a menos), pela ação da acil-CoA acetiltransferase (ou tiolase), com gasto de uma CoA. A acetil-CoA é oxidada no ciclo do ácido cítrico, e a acil-CoA volta à β oxidação até chegar a quatro carbonos e liberar duas acetil-CoAs. Deste modo, um ácido graxo saturado de número de carbonos pares passa pela β oxidação (n-2)/2 vezes, gerando o mesmo número de FADH2 e NADH, e n/2 acetil-CoAs.

Ácidos graxos insaturados são metabolizados pela β oxidação até a insaturação. Como as insaturações são em cis, a enoil-CoA hidratase não pode agir sobre elas. Uma enzima acessória, a enoil-CoA isomerase realiza a conversão desta ligação para a forma trans, permitindo a continuidade da β oxidação. Por causa da insaturação, um FAD a menos é reduzido.

Ácidos graxos com número ímpar de carbonos geram acetil CoA e propionil CoA na última passagem pela β oxidação. A propionil-CoA é carboxilada a D metilmalonil CoA, às custas de um ATP, pela propionil-CoA carboxilase, que requer biotina para fixar bicarbonato. D metilmalonil CoA é então transformada em L metilmalonil CoA pela metilmalonil CoA epimerase. Há então ação da metilmalonil CoA mutase, que apresenta uma coenzima B12 derivada da cobalamina, formando succinil-CoA, intermediário do ciclo do ácido cítrico.

Mutações genéticas da metilmalonil CoA mutase ou deficiências nutricionais de cobalamina, comuns em vegetarianos restritos, levam à acidose metilmalônica, doença em que há acúmulo de metilmalonato. Este age como inibidor competitivo da succinato desidrogenase mitocondrial, resultando em desbalaço energético e redox, com lesão tecidual generalizada, mais grave no tecido neurológico.

A principal regulação da β oxidação consiste no controle do transporte de acil-CoA para a matriz mitocondrial. a carnitina acil transferase é inibida alostericamente por malonil-CoA, o produto do primeiro passo da síntese de ácidos graxos, que ocorre no citosol. Além disso, a β oxidação é inibida quando há falta de NAD+ como substrato, e a tiolase é inibida por acúmulo de acetil-CoA.

Além das mitocôndrias, os peroxissomos, encontrados em células de animais e plantas, também realizam β oxidação, com passos enzimáticos idênticos. As enzimas nos peroxissomos, porém, são fundidas em um único complexo multienzimático, de modo semelhante ao encontrado em bactérias Gram-negativas. Como não possuem nem cadeia de transporte de elétrons nem ciclo do ácido cítrico, os peroxissomos exportam o NADH e acetil-CoA formados. O FADH2 transfere seus elétrons diretamente para o O2, produzindo H'2'O2, que é removido por catalase, abundante nesta organela. Em sementes germinativas, glioxissomos, formas especializadas de peroxissomos, também realizam β oxidação. A germinação é o único momento em que a β oxidação é uma importante fonte de energia para as plantas.

Além da β oxidação, vertebrados também oxidam ácidos graxos no retículo endoplasmático através da ω (omega) oxidação, que envolve o carbono mais distante da carboxila. Este processo complexo envolve a ação do citocromo P450, álcool e aldeído desidrgenases, e gera ácidos dicarboxílicos, preferencialmente a partir de ácidos graxos com cadeias de 10 ou 12 carbonos.

Além de ser oxidada no ciclo do ácido cítrico, a acetil-CoA formada pela β oxidação pode gerar os corpos cetônicos acetona, que pode ser exalada e acetoacetato e β hidroxibutirato, que podem ser exportados a outros tecidos. Alguns órgãos oxidam corpos cetônicos exportados pelo fígado com grande preferência, como o coração, por exemplo.

A formação de corpos cetônicos envolve primeiramente a ação da tiolase, cuja reação é reversível, podendo gerar acetoacetil-CoA a partir de duas acetil-CoAs. Há então condensação com mais uma acetil-CoA, formando β hidroxi β metilglutaril-CoA (HMG-CoA) e CoA, catalisada HMG-CoA sintase. A clivagem desta molécula pela HMG-CoA liase libera acetil-CoA e acetoacetato, que pode ser reduzido a D β hidroxibutirato pela β hidroxibutirato desidrogenase ou decarboxilada de modo espontâneo ou enzimatico, gerando acetona.

A geração de acetona é minoritária, e só se torna importante quando há acúmulo grande de corpos cetônicos, como ocorre no diabético descompensado ou em jejum prolongado. Nestas pessoas, o predomínio da ação do glucagon induz a oxidação de ácidos graxos, que no fígado passam a sintetizar corpos cetônicos em massa. A acetona formada, além de apresentar toxicidade própria, é exalada, conferindo o hálito cetônico próprio da desnutrição e diabetes. Os outros corpos cetônicos, por apresentarem característica ácida, reduzem o pH sangüíneo, levando a cetoacidose. Um mecanismo compensatório da cetoacidose consiste no aumento da velocidade respiratória (alcalose respiratória), removendo CO2 e, conseqüentemente, ácido carbônico da circulação. Assim, o quadro clínico do diabético em cetoacidose combina hiperventilação e hálito cetônico.

Membranas e Transporte
Imagina-se que a formação da primeira membrana em torno de uma solução contendo atividade catalítica tenha desenvolvido a primeira célula. As membranas definem os limites da célula e regulam a entrada e saída de compostos destas. Também podem subdividir as células em vários compartimentos ou organelas. Organizam reações complexas e a comunicação entre células.

Cada membrana biológica possui uma composição lipídica distinta, incluindo fosfatidilcolina, fosfatidilserina, esfingolipídeos, colesterol e cardiolipina. A membrana plasmática possui normalmente muito colesterol (cerca de 30% do total) e pouca ou nenhuma cardiolipina. A membrana mitocondrial interna, por outro lado, apresenta cerca de 20% de cardiolipina e colesterol quase indetectável. Em geral, a presença de cardiolipina parece importante para manutenção da impermeabilidade iônica devido às suas quatro cadeias carbônicas que permitem maior empacotamento, estando presente em maior quantidade nas membranas de mitocôndrias e cloroplastos.

A composição e quantidade protéica das membranas também é bastante variada, e pode ser altamente especializada. Enquanto a maioria das membranas é predominantemente lipídica, com algumas proteínas inseridas, a membrana mitochondrial interna possui maior peso seco protéico que lipídico. Em algumas membranas, há carboidratos ligados covalentemente às proteínas de membrana.

A arquitetura supramolecular das membranas forma uma camada apolar de 5 - 8 nm, melhor descrita pelo modelo do mosaico fluido, em que as cadeias carbônicas dos ácidos graxos dos lipídeos de membrana dispostos em bicamadas (veja abaixo) interagem em um ambiente fluido e hidrofóbico, com amplo movimento lateral e pouco movimento de flip-flop pela membrana. As proteínas de membrana flutuam neste fluido.

Por causa do seu caráter amfipático (com uma porção polar e outra apolar), os lipídeos que compõem a membrana tendem a se agregar quando colocados em solução. Este efeito propicia um benefício entrópico à solução, pois diminui a necessidade de organização de água em torno das caudas apolares dos lipídeos. O tipo de agregado formado depende do tipo e lipídeo. Miscelas são agregados esféricos com as porções hidrofóbicas no interior, excluindo a água, e hidrofílicas no exterior, em contato com a água. Tendem a se formar quando o diâmetro da cabeça polar é maior que da cauda hidrofíbica, como ocorre, por exemplo, com ácidos graxos livres. Bicamadas são uma condensação de duas camadas bidimensionais de lipídios, com as caudas apolares no centro e hidrofílicas em cada face. Ocorre com monômeros em que a área ocupada pela cabeça é similar à das caudas, como glicerofosfolipídeos e esfingolipídeos. Porque as pontas da bicamada expõe grupos hidrofóbicos, estas tendem a se dobrar sobre si, criando esferas com ambiente aquoso no interior e exterior (vesículas), os lipossomos.

As proteínas de membrana podem tanto se movimentar lateralmente na bicamada quanto serem ancoradas pelo citoesqueleto. Estas podem ser convenientemente visualizadas por microscopia eletrônica de varredura após congelamento e fracionamento da membrana (freeze-fracture), que freqüentemente separa as camadas. Esta técnica demonstra que algumas proteínas se associam mais a uma das camadas, enquanto outras atravessam ambas as camadas e pode protruir para ambos os lados.

As proteínas integrais de membrana estão firmemente inseridas na camada lipídica e tipicamente só podem ser removidas com detergente. São exemplos deste tipo de proteína os canais iônicos e proteínas transportadoras. Proteínas periféricas se associam predominantemente com as cabeças hidrofílicas dos lipídeos, podendo ser solubilizadas com maior facilidade. São exemplo deste tipo de proteínas as anexinas e citocromo c.

As proteínas integrais de membrana adquirem e mantém sua estrutura realizando interações hidrofóbicas com os lipídeos da membrana. A presença de α-hélices de comprimento suficiente para atravessar a membrana (20-25 resíduos) e resíduos apolares é uma característica comum, pois esta estrutura permite evitar o contato entre os lipídeos e as ligações peptídicas protéicas, inevitavelmente hidrofílicas. A probabilidade de um segmento em α hélice interagir com membranas pode ser estimada pelo seu índice de hidropaticidade, uma medida de sua hidrofobicidade. Um exemplo de proteína de membrana cuja estrutura e mecanismo são bem conhecidos graças a estudos do grupo de McKinnon é o canal de K+, composto por 4 subunidades contendo duas α-hélices transmembrana e uma α-hélice mais curta cada. Outro motivo presente em membranas é o β barril. Nesta estrutura, cada segundo resíduo interage com a membrana, e deve apresentar caráter hidrofóbico. A porina bacteriana e voltage-dependant anion channel (VDAC) mitocondrial possuem estrutura em β barril.

Tanto canais de K+ quanto a porina e VDAC são proteínas com função de transportar moléculas através de membranas. O transporte seletivo e regulável de moléculas para dentro do ambiente celular e organelar é uma das funções centrais das membranas biológicas. Em soluções separadas por membranas permeáveis, os solutos se movimentam do lado mais para menos concentrado por difusão passiva. Esta atitude reflete a segunda lei da termidinâmica em que moléculas espontaneamente assumem a distribuição mais randômica. Se houver uma diferença de carga entre as soluções, criando um potencial de membrana, os solutos carregados vão sofrer ação conjunta da diferença de carga e elétrica, o gradiente eletroquímico.

As membranas biológicas formam uma barreira seletivamente permeável, através da qual determinados solutos podem passar a favor do gradiente eletroquímico. Alguns compostos são permeáveis às membranas biológicas por passar pela bicamada lipídica. Este comportamento é típico de gases relativamente apolares como oxigênio e nitrogênio. A água atravessa as membranas pela bicamada de modo lento, apesar de sua polaridade, por causa da sua alta concentração (~ 55 M). Em tecidos em que há necessidade de alta difusão de água como por exemplo os rins, há um canal especializado para o transporte desta, a aquaporina, descrita por Agre.

A passagem de compostos polares e carregados pela bicamada lipídica é extremamente improvável, mesmo que a favor do gradiente eletroquímico, por causa da alta energia de ativação do processo, que envolve perda das águas de hidratação do composto. O transporte destes compostos através de membranas é possibilitado pela presença de caminhos alternativos à passagem pela membrana, no processo de difusão facilitada. Proteínas que realizam a difusão facilitada (transportadoras ou permeases) possuem semelhanças funcionais com enzimas, ligando a molécula transportada e sofrendo alterações conformacionais que levam ao transporte para o outro lado da membrana. Sua função primordial é providenciar um ambiente em que a ligação da molécula a ser transportada possua variação de energia livre favorável em relação à sua desidratação.

Um exemplo de transporte por difusão facilitada é a entrada de glicose na célula, catalisada por um transportador específico que permite velocidades de transporte 50000 vezes maiores que por difusão passiva. O transportador possui 12 hélices transmembranares organizados em torno de si, com resíduos hidrofílicos predominantemente em sua luz e hidrofóbicos no exterior. A interação do canal com a glicose possui as mesmas características da interação enzima-substrato, com afinidade específica e saturação, que confere uma velocidade máxima de transporte. A reversibilidade deste transporte é completa, e células evitam a perda de glicose fosforilando-a a glicose 6 fosfato, que não é transportada.

Outro sistema de difusão facilitada é o trocador de bicarbonato/cloreto da membrana eritrocitária. Esta proteína realiza cotransporte (transporte de dois compostos simultaneamente) em antiporte (as moléculas são transportadas em direção oposta) passivo. O bicarbonato, formado pela anidrase carbônica eritrocitária a partir de CO2, é transportado para fora da célula concomitantemente à entrada de Cl-.

É comum haver a necessidade de transporte em direção contrária ao gradiente eletroquímico, que não pode ser obtida por difusão passiva ou facilitada. Nestes casos, o transporte deve ser acoplado a um processo energeticamente favorável, num processo de transporte ativo. O transporte ativo primário ocorre diretamente acoplado a uma reação exergônica, como a hidrólise de ATP. Um exemplo deste tipo de transporte é intermediado pela Ca2+ ATPase da membrana plasmática, que remove o Ca2+ intracelular, mantendo sua concentração cerca de 10000 vezes menor que no ambiente intracelular. O transporte ativo secundário se utiliza de um gradiente eletroquímico gerado por transporte ativo primário para transportar uma segunda molécula, acoplada à passagem de volta, a favor do gradiente eletroquímico, da primeira. Um exemplo são os trocadores de Ca2+/H+ da membrana mitocondrial interna, que retiram Ca2+ do interior da organela em troca da entrada de H+, favorecida pelo gradiente de H+ gerado pela cadeia de transporte de elétrons.

Uma característica marcante de muitos transportadores é sua seletividade. Este efeito é importante, por exemplo, para garantir que íons parecidos, como Na+ e K+ não sejam transportados pelo mesmo canal, o que não permitiria manter controle separado das concentrações destes. Canais de K+ são bem conhecidos do ponto de vista estrutural, e ilustram os princípios que determinam a seletividade. Possuem forma de funil, com segmentos de α-hélices longas formando uma passagem transmembranar e segmentos curtos formando um filtro de seletividade por onde só passam íons K+. Nesta região, oxigênios de carbonilas favorecem a dehidratação de K+ e passagem pelo canal. Íons de Na+ não possuem o diâmetro necessário para interagir com os oxigênios de forma ideal. A passagem de íons K+ não é determinada apenas pela perda das águas de solvatação, mas também por repulsões eletrostáticas de outros íons K+ que são atraídos para o interior do canal. A estrutura de canais de K+ variadas é bastante conservada, havendo variabilidade somente das porções regulatórias, que podem responder a concentrações iônicas, voltagem, fosforilação, oxidação ou ligantes específicos, como ATP.

A importância da manutenção de gradientes iônicos é ilustrada pela ação de ionóforos, que são compostos capazes de remover estes gradientes. A valinomicina, por exemplo, é um peptídeo com cavidade hidrofílica capaz de interagir com K+, e exterior hidrofóbico. É capaz de atravessar a bicamada lipídica, transportando K+ a favor do gradiente eletroquímico. Este efeito é altamente lesivo para a célula, e este peptídeo pode agir como um poderoso veneno.