Metabolismo celular

A glicose é a principal fonte de energia e átomos de carbono para as células, provendo não somente energia na forma de ATP, mas também fonte de intermediários para vias metabólicas (VANDER HEIDEN; CANTLEY; THOMPSON, 2009). É captada por transportadores específicos e metabolizada a piruvato no citosol. Em células quiescentes (normais), o piruvato derivado da glicólise é predominantemente importado para o interior da matriz mitocondrial e oxidado a acetil-coenzima A (acetil-CoA) pelo complexo da piruvato desidrogenase (LU; TAN; CAI, 2015). A acetil-CoA é então introduzida no ciclo do ácido tricarboxílico seguida pela fosforilação oxidativa com alta geração de ATP. Como o oxigênio é requerido como o receptor final de elétron para oxidar completamente a glicose, ele é essencial para este processo. A oxidação total de uma molécula de glicose produz 38 moléculas de ATP (incluindo 2 moléculas de ATP geradas pela glicólise e 36 mitocondriais). Quando o oxigênio é limitado, as células podem redirecionar o piruvato da fosforilação oxidativa na mitocôndria para a geração de lactato (glicólise anaeróbica). Tal processo gera uma quantidade menor de ATP quando comparado com a fosforilação oxidativa.

Otto Warburg, em 1924, observou que as células cancerosas tendem a converter uma maior quantidade de glicose a lactato, independentemente da presença de oxigênio (WARBURG, 1956; WARBURG; POSENER; NEGELEIN, 1924), o que pode ocorrer também em tecidos normais que estejam em processo de proliferação. Tal fenômeno metabólico em que a glicose é convertida em lactato na presença de oxigênio no citoplasma é conhecido como glicólise aeróbica ou efeito Warburg (Figura 9), sendo menos eficiente que a fosforilação oxidativa para a geração de ATP.

Figura 9 – Efeito Warburg.

Na presença de oxigênio, as células diferenciadas metabolizam a glicose em piruvato através da glicólise e, então, o piruvato é completamente oxidado na mitocôndria durante o processo de fosforilação oxidativa, tendo como produto final

a geração de dióxido de carbono (CO2), H2O e energia na forma de ATP. Quando o

oxigênio é limitado, as células direcionam o piruvato para a geração de lactato, através do processo de glicólise anaeróbica, o qual resulta em uma produção mínima de ATP. Células em estado de proliferação exacerbada, como as células cancerígenas, maior parte da glicose absorvida pelas células é convertida em lactato, mesmo na presença de oxigênio, caracterizando o Efeito Warburg. Fonte: Adaptado de HEIDEN; CANTLEY; THOMPSON, 2009.

O metabolismo glicolítico, nas células tumorais, produz intermediários metabólicos que servem de precursores para vias anabólicas como a via da pentose fosfato, via da síntese de serina e triacilglicerol para síntese de novo de nucleotídeos, aminoácidos e lipídios (LUNT; VANDER HEIDEN, 2011). Oncogenes e supressores tumorais, tais como fator indutor de hipóxia (HIF), Akt, Myc e p53, exercem impacto direto no metabolismo celular e notavelmente na captação de glicose e glicólise (LEVINE; PUZIO-KUTER, 2010; VANDER HEIDEN; CANTLEY; THOMPSON, 2009). Mutações no supressor de tumor p53 ocorrem na maioria dos tumores humanos. Conforme descrito na literatura, o p53 controla a glicólise, a fosforilação oxidativa e a oxidação de ácidos graxos (BERKERS et al., 2013;

LEVINE; PUZIO-KUTER, 2010). Já foi demonstrado que células deficientes em p53, como no caso das células cancerígenas, exibem altas taxas de glicólise, aumento da produção de lactato e diminuição da respiração mitocondrial (MATOBA et al., 2006).

Hipóxia é a diminuição dos níveis normais de oxigênio no meio intracelular e desempenha um papel vital na carcinogênese (KÖHL; ZHOU; BRÜNE, 2006), pois é responsável pela ativação de genes que são importantes na adaptação celular e tecidual em baixas condições de oxigênio (TSAI; WU, 2012; SONNA et al., 2003). Estes genes compreendem transportadores de glicose, enzimas da via glicolítica e fator de crescimento endotelial vascular (VEGF) (KÖHL; ZHOU; BRÜNE, 2006). Porém, o HIF-1 é o principal fator transcricional envolvido na resposta fisiológica à hipóxia. É composto por duas subunidades: HIF-1α e HIF-1β. Enquanto a subunidade HIF-1β é constitutivamente expressa, HIF-1α é alvo constante de ubiquitinização pela proteína supressora de tumor Von Hippel-Lindau (pVHL) e é degradada por proteossoma (KÖHL; ZHOU; BRÜNE, 2006). Há indícios de que as EROs facilitam a interação entre HIF-1α e pVHL resultando em um aumento da degradação de HIF-1 α (WANG et al., 2002).

Alguns tipos de câncer são caracterizados pela superexpressão de HIF-1α quando comparados a tecidos normais (ZHONG et al., 1999). Sob condições de hipóxia no microambiente tumoral, o fator HIF-1α está envolvido no metabolismo glicolítico, uma vez que regula a expressão e atividade dos transportadores de glicose GLUT-1 e GLUT- 3, bem como controla a angiogênese, a diferenciação celular, a migração e a indução de metástase (BRAHIMI-HORN; BELLOT; POUSSÉGUR, 2011; SEMENZA, 2003).

A desregulação da atividade de fatores de crescimento ocasiona a ativação da via de proliferação celular PI3K/Akt/mTOR (McCARTY; BARROSO-ARANDA; CONTRERAS, 2010). A mTOR uma vez ativa, acelera a translação de mRNA para HIF-1α (GARCIA-MACEIRA; MATEO, 2009). Agentes antitumorais que inibem a mTOR, como a rapamicina, impedem a expressão de HIF-1α em nível translacional (McCARTY; BARROSO-ARANDA; CONTRERAS, 2010). Também, o NF-kappaB quando ativo, dirige a transcrição do gene de HIF-1α (GARCIA-MACEIRA; MATEO, 2009; RIUS et al., 2008). NF-kappaB e HIF-1α exercem funções homólogas, promovendo a invasão celular pelo aumento da produção e ativação de proteases extracelulares, indução da angiogênese pelo aumento da expressão de fatores angiogênicos como o VEGF e, ainda, estão relacionados com a

quimiorresistência através da indução da expressão de proteínas anti- apoptóticas (NAKANISHI; TOI, 2005; AGGARWAL, 2004).

Em tecidos saudáveis os níveis de HIF-1α são extremamente baixos, pois as quantidades suficientes de oxigênio facilitam a rápida degradação proteossomal.

O ascorbato de sódio desempenha um papel fundamental na regulação indireta da expressão e degradação do HIF-1α. Carcamo e colaboradores (2002) descrevem que o ascorbato de sódio em concentrações farmacológicas pode impedir a via de sinalização desencadeada por cinase que ativa a NF-kappa B. Desta forma, elevadas concentrações intracelulares de ascorbato podem inibir a expressão de HIF-1α via inibição da NF-kappaB (McCARTY, 2013).

Ainda, a degradação do HIF-1α ocorre principalmente por hidroxilação mediada por enzimas prolil hidroxilases (PHD2), que são dioxigenases dependentes de 2-oxoglutarato e regulam o catabolismo e a atividade transcricional de HIF-1α (KUIPER et al., 2014). Na maioria dos tipos de câncer a atividade das HIF-1 hidroxilases está diminuída, principalmente devido à oxidação dos átomos de ferro presentes no seu centro catalítico (PAGE et al., 2008; PAN et al., 2007). Um dos fatores que ocasionam esta oxidação são os elevados níveis intracelulares de piruvato gerados devido ao metabolismo glicolítico exacerbado das células tumorais (McCARTY, 2013).

As PHD2 necessitam de ascorbato como cofator para desempenhar uma atividade ótima (OZER; BRUICK, 2007). Portanto, a degradação de HIF-1α é dependente de níveis adequados de ascorbato intracelular (McCARTY, 2013). Neste sentido, vários estudos têm demonstrado que, em células tumorais, concentrações farmacológicas de ascorbato são capazes de ativar as PHD2, promovendo a degradação do HIF-1α (FLASHMAN et al., 2010; VISSERS et al., 2007; KNOWLES et al., 2003). A degradação de HIF-1α nestas células tem como consequência a diminuição da expressão de transportadores de glicose, inibição de enzimas glicolíticas e inibição da transcrição de genes indispensáveis para a proliferação do tumor (McCARTY, BARROSO- ARANDA, CONTRERAS, 2010; SEMENZA, 2007; ROBEY et al., 2005).

Lee e colaboradores (2009) relatam que quinonas da classe das antraciclinas, quando em concentrações de até 0,2 µM, são capazes de inibir em até 50% a atividade transcricional de HIF-1α em células tumorais. Doses diárias entre 0,5 e 1,5 mg/kg de doxorrubicina ou daunorrubicina mostraram inibir significativamente o crescimento do tumor em camundongos de até 20 g, devido à ação direta desses

compostos sobre a expressão de mRNA de genes alvos de HIF-1α como o VEGF.