Homeostase Energética

Visão Geral

Termos importantes

• Consumo de energia:
  • Medido pelo número de calorias consumidas a partir de alimentos e líquidos
  • Modulado pela fome, que é regulada principalmente pelo hipotálamo
• Gasto energético: soma do calor interno produzido e do trabalho externo
  • O calor interno produzido é a soma da taxa metabólica basal (TMB) e do efeito térmico dos alimentos.
  • O trabalho externo é estimado pela medição do nível de atividade física (NAF).
• Teoria do set-point:
  • Postula que todos os corpos possuem um peso fixo programado, com mecanismos reguladores para compensar
  • Foi descartada, pois vários fatores demonstraram desempenhar um papel na mudança de peso
  • O corpo não consegue compensar de forma precisa os erros na ingestão de energia/calorias, ao contrário do que a hipótese da teoria do set-point postula.
• Balanço energético positivo:
  • Resultado do facto da ingestão de energia ser superior ao que é consumido em trabalho externo e através de outros meios de gasto de energia
  • Um balanço positivo resulta no armazenamento de energia na forma de gordura e/ou músculo, causando ganho de peso; com o tempo, isso pode resultar em obesidade.
  • Causas evitáveis da obesidade: excessos alimentares e estilo de vida sedentário
• Balanço energético negativo:
  • Resultado da ingestão de energia ser menor do que o que é consumido no trabalho externo e outros meios corporais de gasto de energia
  • Principais causas:
    • Diminuição da ingestão devido a condições médicas, como anorexia nervosa, hipertiroidismo e diminuição do apetite devido a condições subjacentes
    • Aumento da necessidade metabólica devido a processos patológicos tais como cancro, infeções ou alterações metabólicas
• Necessidades normais de energia:
  • Dependem da idade, sexo e nível de atividade física
  • Um método bastante preciso usado para o cálculo das necessidades de energia é a equação de Harris-Benedict:
    • Homens: TMB = (10 × peso em kg) + (6,25 × altura em cm) – (5 × idade em anos) + 5
    • Mulheres: TMB = (10 × peso em kg) + (6,25 × altura em cm) – (5 × idade em anos) – 161

Teorias e modelos

• Modelo de entrada-saída:
  • Afirma que é alcançado um estado interno estável quando a entrada de energia é igual à saída de energia
  • Não considera outros fatores que afetam a homeostase, tais como a atividade física
• Teoria do set-point:
  • Valor fisiológico em torno do qual o intervalo normal flutua
  • Assume que cada corpo tem um certo set-point e que os mecanismos biológicos no tronco cerebral e no hipotálamo estão envolvidos na defesa do corpo
  • Propõe que a massa de tecido adiposo é regulada pelo hipotálamo
  • Estes mecanismos estão envolvidos no controlo de 3 fatores importantes (um equilíbrio nestes leva a um equilíbrio global de energia):
    • Ingestão de energia
    • Armazenamento de energia
    • Gasto de energia
• Modelo da ansa glicoadipostática:
  • Relaciona a energia armazenada no tecido adiposo à homeostase energética através de alterações no comportamento alimentar via leptina e via atividade do sistema nervoso simpático
  • Conceito relativamente novo; tem em consideração um envolvimento geral, não apenas da ingestão e produção de energia, mas também do armazenamento e do envolvimento da estimulação nos estados de fome
• Modelos alternativos:
  • Alostase: processo de manutenção da homeostase através de alterações adaptativas do ambiente interno do organismo para responder às necessidades percebidas e antecipadas (ou seja, estabilidade através da mudança)

Fontes de Energia

Geral

• 3 biomoléculas são frequentemente usadas como fontes de energia:
  • Hidratos de carbono
  • Proteínas
  • Gordura
• Estes nutrientes são digeridos e absorvidos pela corrente sanguínea, que os distribui para os tecidos de todo o corpo, onde são eventualmente absorvidos pelas células.
• Os hidratos de carbono são transportados pelo sangue na froma de glicose, as proteínas como aminoácidos e os lípidos em lipoproteínas.
• Dentro das células, as biomoléculas assumem 1 de 3 destinos possíveis:
  • Podem ser divididas em moléculas menores para libertar energia, que é usada imediatamente.
  • Podem ser usadas como substratos para sintetizar outras moléculas necessárias às células e tecidos para a sua função normal, para o seu crescimento e para a reparação.
  • Podem ser convertidas em moléculas de armazenamento de energia, que fornecem energia durante o período entre as refeições (moléculas de armazenamento primário: glicogénio e triglicerídeos).

Hidratos de carbono

• Captação:
  • Consumido em várias formas
  • Os monossacarídeos, especialmente a glicose, são a forma mais comum encontrada na corrente sanguínea.
• Utilização:
  • As moléculas de glicose são transportadas para dentro das células por transportadores de glicose.
  • Dentro das células, a glicose é oxidada, produzindo energia e sendo o CO₂ um produto residual.
• Armazenamento:
  • A glicose é convertida em glicogénio para armazenamento.
  • O glicogénio pode ser decomposto em glicose através da glicogenólise na presença de glicogénio fosforilase

Proteínas

• Captação: As proteínas são transportadas na corrente sanguínea na forma de aminoácidos.
• Utilização:
  • Após a absorção pelas células, os aminoácidos são usados para a síntese de proteínas ou catabolizados para produção de energia através da proteólise.
  • Em relação à utilização de hidratos de carbono e lípidos, as células usam o catabolismo de proteínas para obter energia com menos frequência.
  • As proteínas são
    • Menos prontamente disponíveis para consumo de energia
    • Importantes como blocos de construção de moléculas
• Armazenamento:
  • As proteínas de armazenamento servem como reservas biológicas de iões metálicos e aminoácidos, e são usadas principalmente pelo músculo esquelético.
  • Até 15% das proteínas são usadas para formação de tecidos estruturais, como a pele e o osso.
  • As restantes proteínas encontram-se nos tecidos e órgãos, incluindo nos rins e no fígado.

Gorduras

• Captação:
  • Os triglicerídeos são transportados e absorvidos como lipoproteínas na corrente sanguínea.
  • Uma variedade de lipoproteínas de densidades variadas transportam lípidos para várias células-alvo.
• Utilização:
  • Para facilitar a entrada nas células, os triglicerídeos na superfície externa das lipoproteínas são decompostos pela enzima lipoproteína lipase.
  • A lipoproteína lipase quebra os triglicerídeos em ácidos gordos e monoglicerídeos:
    • Os monoglicerídeos são eventualmente metabolizados no fígado.
    • Após a entrada nas células, os ácidos gordos podem ser oxidados para formação de energia ou combinados com glicerol para formar novos triglicerídeos.
• Armazenamento:
  • A gordura é armazenada nos adipócitos
  • Os triglicerídeos armazenados podem ser posteriormente decompostos em glicerol e ácidos gordos.
  • A quebra de triglicerídeos em ácidos gordos e glicerol produz CO₂ como produto residual.

Metabolismo

Metabolismo no estado absortivo

• Os hidratos de carbono consumidos são decompostos em açúcares simples por enzimas hidrolases, na borda em escova do intestino.
• Os açúcares simples são ainda importados para enterócitos intestinais usando um simportador de sódio.
• As proteínas são decompostas em aminoácidos → importadas para os enterócitos intestinais usando um simportador de sódio
• Os aminoácidos e a glicose entram, posteriormente, na corrente sanguínea → entregues ao fígado através da veia porta hepática
• ↑ Nível de glicose e aminoácidos após uma refeição → a insulina é libertada das células beta das ilhotas pancreáticas:
  • Insulina: principal hormona que indica a órgãos, tecidos e células para usar os nutrientes durante o estado absortivo
  • Todos os tecidos aumentam a sua captação e utilização de glicose e aminoácidos na presença de insulina.
• O fígado monitoriza e regula os níveis de glicose e aminoácidos no sangue, que chegam à veia porta hepática.
• Os hepatócitos convertem glicose em glicogénio através da glicogénese até que as reservas hepáticas sejam repostas e usam também glicose para produção de energia através da glicólise.
• Os hepatócitos formam triglicerídeos e exportam-nos como VLDLs, para serem absorvidos pelo tecido adiposo.
• Os hepatócitos usam os aminoácidos para a síntese de proteínas e exportam-nos para circularem em direção a outros tecidos de modo a serem usados na síntese proteica.
• No tecido adiposo, a insulina indica aos adipócitos a necessidade de absorção de ácidos gordos e glicerol para a síntese de triglicerídeos (lipogénese).

Metabolismo no estado pós-absortivo

• Fim do estado absortivo: os enterócitos param de importar glicose para a circulação portal hepática.
• Os tecidos periféricos continuam a captação de glicose para manter um estado normoglicémico.
• Os níveis de glicose diminuem, estimulando o aumento dos níveis de glucagon e epinefrina.
• Neste ponto, os hepatócitos iniciam a glicogenólise (conversão do glicogénio armazenado em glicose, rapidamente utilizável).
• A glicogenólise esgota as reservas hepáticas e causa hipoglicemia → o fígado inicia o processo de gliconeogénese estimulado pelos glicocorticoides libertados a partir do córtex da suprarrenal
• Os ácidos gordos circulantes e o glicerol são usados no processo de gliconeogénese.
• À medida que a duração do estado pós-absortivo aumenta, o fígado começa a importar aminoácidos para a gliconeogénese e a síntese de cetonas (também conhecida como cetogénese) como fonte alternativa de energia.
• Um aumento dos níveis de cetonas e lípidos circulantes nos tecidos periféricos, diminui a dependência da glicose e aumenta a dependência destes compostos.
• Os neurónios continuam a depender exclusivamente da glicose até que os seus níveis sejam insuficientes para dar resposta às suas necessidades energéticas → nessa altura dependem das cetonas circulantes

Regulação do metabolismo

• Estado absortivo:
  • Insulina: principal regulador no estado absortivo
  • Tem como alvo o fígado, o músculo e o tecido adiposo para estimular a síntese de glicogénio e a formação de triglicerídeos
  • O cérebro e os eritrócitos são insensíveis à insulina.
• Estado pós-absortivo:
  • Níveis de glucagon e epinefrina:
    • Aumentados no estado de jejum
    • Têm como alvo o músculo esquelético, o tecido adiposo e o fígado para estimular a degradação do glicogénio
  • No entanto, a libertação de ácidos gordos e aminoácidos é estimulada pela:
    • Diminuição dos níveis de insulina
    • Aumento dos níveis de epinefrina
• Jejum prolongado:
  • Níveis de glucagon e epinefrina ↑↑ nos estados de jejum prolongado
  • A lipólise forma acetil-CoA em excesso → usada para a síntese de cetonas → aumento dos níveis de lípidos e cetonas
  • Os músculos usam ácidos gordos como fonte de energia.
  • O cérebro usa cetonas como fonte de energia.
  • As proteínas são poupadas, enquanto são usadas cetonas em vez de glicose.
  • Os eritrócitos continuam a depender da glicose como a sua principal fonte de energia.

Metabolismo em Tecidos Individuais

Fígado

• Biomoléculas usadas no estado pós-prandial: glicose e aminoácidos
• Biomolécula utilizada em jejum: ácidos gordos
• O fígado mantém, a maior parte do tempo, um nível de glicose constante no estado de jejum e pós-prandial, e está envolvido na síntese de cetonas se ocorrer uma utilização excessiva de ácidos gordos.

Tecido adiposo

• Biomolécula usada no estado pós-prandial: glicose
• Biomolécula utilizada em jejum: ácidos gordos

Músculo esquelético

• Biomolécula usada no estado pós-prandial: glicose
• Biomoléculas usadas em jejum: ácidos gordos e cetonas
• A utilização de energia difere significativamente entre os estados de repouso e ativo.

Músculo em repouso:

• Estado pós-prandial: os níveis de insulina aumentam e estimulam o músculo a armazenar glicose na forma de glicogénio.
• Estado de jejum: Os ácidos gordos são absorvidos da corrente sanguínea e utilizados como fonte de energia. Durante o jejum prolongado, são usadas as cetonas.

Músculo ativo:

• O músculo torna-se ativo durante o exercício e as biomoléculas usadas como fontes de energia dependem de 3 fatores:
  • Magnitude do exercício
  • Duração do exercício
  • Fibras musculares envolvidas
• Fibras musculares de contração lenta (fibras musculares de tipo 1):
  • Atingem a fadiga lentamente
  • Ativas durante um período prolongado de exercício de baixa a moderada intensidade
  • A oxidação da glicose e dos ácidos gordos são a principal fonte de energia após o consumo das reservas de glicogénio.
• Fibras musculares de contração rápida (fibras musculares de tipo 2):
  • Atingem a fadiga rapidamente
  • Têm uma alta capacidade de glicólise anaeróbica
  • Ativas nos exercícios de curta duração e alta intensidade
  • Suportadas pelo glicogénio muscular

Músculo cardíaco

• Biomolécula usada no estado pós-prandial: ácidos gordos
• Biomoléculas usadas em jejum: ácidos gordos e cetonas
• Condições específicas nas quais a utilização de energia é alterada, assumindo fontes diferentes:
  • Durante o desenvolvimento fetal, a glicose é a principal fonte de energia.
  • No período pós-natal, a oxidação β de ácidos gordos é a principal fonte de energia.
  • Durante a hipertrofia cardíaca, há um aumento na oxidação da glicose e uma diminuição na oxidação β dos ácidos gordos.

Cérebro

• Biomolécula usada no estado diferentes: glicose
• Biomolécula utilizada em jejum: glicose com captação de cetonas no jejum prolongado
• O transportador de glicose 1 (GLUT1, pela sigla em inglês) e GLUT3 participam na captação de glicose e regulam os seus níveis de concentração.
• As reservas de glicogénio no cérebro são mínimas → a glicose da corrente sanguínea é a principal fonte de energia
• O hipotálamo estimula a libertação de glucagon e epinefrina em condições hipoglicémicas.
• A barreira hematoencefálica não permite a passagem de ácidos gordos, portanto, estes não são utilizados como fonte de energia.
• Principal fonte de energia em jejum: glicose a partir da glicogenólise hepática ou da gliconeogénese
• O estado de jejum prolongado leva à utilização de cetonas para produção de energia

Eritrócitos

• Biomolécula usada no estado pós-prandial: glicose
• Biomolécula utilizada em jejum: glicose

Relevância Clínica

• Anorexia: distúrbio caracterizado pela redução da ingestão de energia e perda de peso. Indivíduos com anorexia têm uma visão distorcida do seu peso e muitas vezes consideram-se acima do peso, apesar de estarem abaixo do mesmo. Estes indivíduos podem forçar-se a praticarem exercício físico de forma excessiva para manter um baixo peso. Muitos contam calorias e restringem-se a pequenas refeições. O tratamento é um desafio e está focado em abordar questões psicossociais, enquanto se retorna o indivíduo de volta ao peso normal.
• Resistência à leptina: A leptina é uma hormona que inibe a fome e reduz o armazenamento de gordura nos adipócitos. A resistência à leptina é um estado em que o corpo deixa de responder ao efeito anoréxico da leptina exógena. Isto pode ocorrer devido a mutações na via JAK-STAT. Os triglicerídeos que atravessam a barreira hematoencefálica podem contribuir para a resistência à leptina.
• Caquexia: condição caracterizada por anorexia, perda de peso e perda desproporcional de músculo e tecido adiposo. A caquexia é tipicamente causada por uma doença subjacente que contribui para a perda muscular. Esta condição difere da perda de peso por nutrição inadequada, pois a caquexia deve-se principalmente à perda muscular, enquanto que a nutrição inadequada leva à perda de gordura. Esta condição é mais frequentemente associada a neoplasias.
• Obesidade: acumulação anormal de gordura causada por um defeito na homeostase energética. A acumulação de gordura é consequência de desequilíbrios energéticos relacionados com fatores complexos (genética, ambiente, etc.) e resulta de uma ingestão energética superior ao gasto energético. A obesidade está ligada a uma série de condições médicas. Esta representa um fator de risco para diabetes, doenças cardiovasculares, neoplasias e outras doenças crónicas.