METABOLISMO-T5.pdf - Bioquímica y Ciencias Biomédicas

METABOLISMO-T5.pdf mariaperezm Metabolismo y Regulación 3º Grado en Bioquímica y Ciencias Biomédicas Facultad de Ciencias Biológicas Universitat de València Reservados todos los derechos. No se permite la explotación eco...

METABOLISMO-T5.pdf mariaperezm Metabolismo y Regulación 3º Grado en Bioquímica y Ciencias Biomédicas Facultad de Ciencias Biológicas Universitat de València Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad.  Metabolismo y Regulación TEMA 5: Metabolismo de lípidos Metabolismo y Regulación TEMA 5: Metabolismo de lípidos 1. Movilización de lípidos de reserva Los TAG que obtenemos de la dieta se distribuyen por el organismo transportados por quilomicrones (QM), que se forman en el intestino. Los ácidos grasos se extraen de los quilomicrones mediante la LPL (lipoproteín lipasa), y así pueden importarse a la célula. Sin embargo, también podemos obtener TAG del tejido adiposo. En este apartado nos centraremos en ver cómo podemos movilizar ácidos grasos desde las gotas lipídicas que almacenan TAG en los adipocitos. Fórmula de un triacilglicérido LPL ① TAG (dieta) ⟶ QM (intestino) ⟶ AG ⟶ célula ② TAG (tejido adiposo) ⟶ AG ⟶ albúmina (sangre) ⟶ célula HSL ⟙ insulina Existe una lipasa encargada de movilizar los ácidos grasos a partir de los TAG de los adipocitos: la HSL (Hormone-Sensitive Lipase). El nombre de esta enzima se refiere a que es sensible a insulina, que la inhibe. Es lógico que si hay insulina (porque ↑ glucosa), se inhiba la degradación de ácidos grasos. En un principio, se atribuyó a esta lipasa la degradación del tejido adiposo; pero tras generar un ratón knock-out en HSL, se vio que en éste se seguía degradando el tejido, lo cual sugirió que existían más lipasas actuando junto a ésta. De hecho, se descubrió que en realidad había 3: la ATGL (Adipose Triglyceride Lipase), que degrada los TAG, extrayendo 1 AG y generando DAG; la HSL, que degrada preferiblemente los DAG, extrayendo otro AG; y la MGL, que finalmente daría lugar a glicerol y el tercer AG. BCB 1 de 36 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-6149695 Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad.  Metabolismo y Regulación TEMA 5: Metabolismo de lípidos *La HSL tiene preferencia por la degradación de los DAG, pero también puede actuar sobre TAG. En respuesta a señales hormonales (epinefrina y glucagón), los triacilgliceroles del tejido adiposo se convierten en ácidos grasos libres que se liberan a la sangre. A continuación describiremos cuál es la cascada de señalización que permite esta regulación. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. Las gotas lipídicas de los adipocitos están rodeadas por proteínas con carácter anfipático, llamadas perilipinas. Cuando llega la señal de glucagón (como respuesta a la necesidad energética) al receptor (un GPCR), se activan las proteínas G, que a su vez activan a la adenilil ciclasa, aumentando los niveles de cAMP en la célula. El cAMP activa a la PKA, que por una parte fosforila a las perilipinas, y por otra a la HSL. Las perilipinas fosforiladas se van separando debido a la repulsión entre las cargas negativas de los fosfatos, lo suficiente para que la HSL (también fosforilada y activada por la PKA) acceda a la gota lipídica. Las lipotransinas son proteínas de acoplamiento para la HSL fosforilada en la gota lipídica. La fosforilación de las perilipinas permite que las proteínas CGI-58 recluten a ATGL, que inicia la degradación de los TAG, que siguen HSL y MGL, finalmente consiguiendo la liberación de los ácidos grasos al citosol. Las CGI-58 se encuentran asociadas a las perilipinas y, cuando éstas se fosforilan, se liberan. Así, pueden asociarse a ATGL, paso necesario para que esta enzima se localice en la periferia de la gota lipídica y pueda empezar a degradar TAGs. BCB 2 de 36 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-6149695 1 coin = 1 pdf sin publicidad  Metabolismo y Regulación TEMA 5: Metabolismo de lípidos Como no son solubles, los ácidos grasos (Fatty Acids, FA) se asocian rápidamente a la ALBP (Adipocyte Lipid-Binding Protein), formándose los complejos ALBP-FA señalados en la figura superior derecha de la página anterior. Falta mencionar que, por cada TAG, además de 3 Àcid gras Àcid gras Glicerol ácidos grasos, también se liberará glicerol (soluble), que podrá servir como fuente de glucosa al Lipasa LSH Lipasa LSH Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. acceder a la gluconeogénesis (lo veremos más Triacilglicerol Diacillicerol Diacilglicerol Monoacilglicerol adelante). Los ácidos grasos obtenidos a partir de los TAG de las gotas lipídicas de adipocitos se mueven por el citoplasma unidos a la proteína ALBP y, cuando salen al espacio extracelular, se transportan por la sangre unidos a la albúmina, hasta llegar a un tejido que tenga un transportador de ácidos grasos para poder internalizarlos en las células. Los ácidos grasos no se transportan por las lipoproteínas, sino por la albúmina Estructura de la HSL: esta proteína está formada por un dominio N-terminal que se representa como globular porque no tiene una estructura resuelta, y por un dominio C-terminal donde se encuentra el módulo regulador con las serinas que se fosforilan para regular su actividad. A pesar de que previamente hemos comentado que la HSL se activa por fosforilación por la PKA, en realidad esta lipasa es sustrato de fosforilaciones por otras quinasas como la AMPK o la ERK, que responden a diferentes estímulos. La degradación de los TAG produce ácidos grasos y glicerol. Los ácidos grasos se “van sacando” de la molécula y se derivan (mayoritariamente) a la β-oxidación. El glicerol es un precursor gluconeogénico, que pasa a la sangre y es captado por el hígado, donde tienen lugar las siguientes reacciones, que finalmente producen gliceraldehido-3-fosfato, un intermediario de la gluconeogénesis. Gluconeogénesis Glicerol Glicerol fosfat quinasa deshidrogenasa Glicerol Glicerol Dihidroxiacetona Gliceraldehid 3-fosfat fosfat 3-fosfat Entonces… ¿es correcto decir que no se puede sintetizar glucosa a partir de la grasa? En un primer momento, diríamos que no, ya que de la degradación de los ácidos grasos (de cadena par) se obtiene acetil-CoA que en animales no puede ser precursor de gluconeogénesis (no tenemos ciclo del glioxilato). Sin embargo, las grasas están formadas por ácidos grasos y glicerol, y el glicerol puede acabar entrando en gluconeogénesis; así que no es correcto. BCB 3 de 36 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-6149695 1 coin = 1 pdf sin publicidad  Metabolismo y Regulación TEMA 5: Metabolismo de lípidos 2. Degradación de los ácidos grasos Los ácidos grasos se activan en el citosol de la célula, transformándose en acil-CoA en una reacción que implica el consumo de ATP. El acil-CoA pasa al interior de la mitocondria para que se lleve a cabo su degradación oxidativa. Para ello ha de atravesar las membranas mitocondriales mediante la lanzadera de carnitina. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. En la mitocondria, las moléculas de acil-CoA se oxidan en la ruta conocida como β-oxidación, una ruta “espiral” en la que se van generando moléculas de acetil-CoA, obteniéndose además poder reductor en forma de NADH y FADH2. r ① La β-oxidación es la primera etapa en la oxidación de los ácidos grasos, que produce unidades activadas de 2 carbonos (acetil-CoA), y poder reductor. ② En la siguiente etapa, cada molécula de acetil-CoA se oxida en el ciclo del ácido cítrico, dando lugar a NADH, FADH2 y algunas moléculas de GTP. ③ Estos coenzimas reducidos se re-oxidan en la cadena respiratoria mitocondrial produciendo gran cantidad de ATP. 2.1. Activación del ácido graso Justo inmediatamente después de la acción de las lipasas, antes de oxidarse, a los ácidos grasos se les añade una coenzima A, obteniéndose acil-CoA. A este paso se le llama activación del ácido graso, y está catalizado por la acil-CoA sintetasa. Se produce en el citosol. R–COOH + ATP + CoA-SH ⟷ R–CO–SCoA + AMP + PPi + H2O BCB 4 de 36 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-6149695 1 coin = 1 pdf sin publicidad  Metabolismo y Regulación TEMA 5: Metabolismo de lípidos in the direction of O O O overall reaction is " O P O P O P O Adenosine " " " AMP 1 2Pi (17–1) O O O ATP DG98 5 234 kJ/mol O" Ácido graso R C Fatty acid at the cytosolic side O The carboxylate ion is adenylylated membrane can be trans- by ATP, to form a fatty acyl– oxidized to produce fatty acyl–CoA adenylate and PPi. The PPi is synthetase immediately hydrolyzed to two O molecules of Pi. Acil-adenilato O O O P O Adenosine " O P O P O" ! R C O" Fatty acyl–adenylate O (enzyme-bound) O" O" Pyrophosphate CoA-SH The thiol group of coenzyme A fatty acyl–CoA attacks the acyl-adenylate (a inorganic synthetase AMP mixed anhydride), displacing AMP pyrophosphatase and forming the thioester fatty O acyl–CoA. 2Pi Acil-CoA R C Fatty acyl–CoA S-CoA #G$% & "19 kJ/mol #G$% & "15 kJ/mol (for the two-step process) La reacción ocurre en dos pasos e involucra un intermediario acil-adenilato. En primer lugar, se adenilila el ácido graso, es decir, se le añade covalentemente un grupo AMP y se libera pirofosfato inorgánico. A continuación, el grupo tiol de la coenzima A ataca al acil-adenilato y se desplaza el AMP, formándose el tioéster acil-CoA. Para reflexionar, y como consideración bioenergética (=NO ENTRA), pensemos en por qué la reacción sucede de esta forma. La molécula acil-CoA posee un enlace tioéster con una elevada energía libre de hidrólisis, lo cual implica que su formación (reacción opuesta) no es favorable. Es por esto que se necesita la energía libre proporcionada por la hidrólisis del ATP para que la reacción sea posible. De hecho, se necesita un “impulso” energético equivalente a la ruptura de 2 enlaces fosfodiéster, ya que el pirofosfato también se hidroliza de forma inmediata. En esta reacción, indirectamente se han gastado 2 ATPs, ya que se produce AMP, que requiere de 2 ATPs para regenerarse. Existen varias acil-CoA sintetasas, especializadas en función del número de carbonos del ácido graso (su sustrato). 2.2. Entrada en la mitocondria: lanzadera de carnitina Para poder iniciar su vía de degradación, el acil-CoA tiene que traslocarse desde el citosol a la matriz mitocondrial. Es un proceso diferente de la mayor parte de rutas metabólicas, ya que la degradación de otras moléculas (glucosa, aminoácidos) hasta el piruvato se produce normalmente en el citosol, y es este último producto el que se trasloca a la mitocondria. A pesar de que la adición de un grupo CoA-SH hace al acil-CoA una molécula más soluble, sigue siendo difícil de transportar. Por eso, se necesitan translocadores localizados en las membranas mitocondriales. Junto con la carnitina, los transportadores facilitan la entrada del acilo en la mitocondria. Al sistema compuesto por los transportadores de la membrana externa e interna de la mitocondria se le conoce como lanzadera de la carnitina. BCB 5 de 36 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-6149695 Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad.  Metabolismo y Regulación TEMA 5: Metabolismo de lípidos La carnitina es el compuesto responsable del transporte de los ácidos grasos a través de la doble membrana mitocondrial. Podemos ver su fórmula a la derecha. Se añade como un grupo químico al ácido graso por las aciltransferasas. La carnitina aciltransferasa I, localizada en la membrana externa, también llamada carnitina palmitoil transferasa I (CAT-I/CPT-I), transfiere la carnitina al acil, sustituyendo el coenzima A, y Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. formando acil-carnitina, que pasa al espacio intermembrana. El acil-carnitina se transporta finalmente a la matriz mitocondrial mediante un segundo translocador, la carnitina aciltransferasa II (o CPT-II), que retira el grupo carnitina y reincorpora el coenzima A al ácido graso, de forma que, netamente, en la mitocondria ha entrado una molécula de acil-CoA que puede iniciar el proceso de oxidación. Lehninger malonil-CoA En la figura superior podemos ver que se postula al malonil-CoA como un inhibidor de la CPT-I. Lo veremos con más detalle más adelante, pero, para introducir su significado fisiológico, debemos saber que el malonil-CoA es la 1ª molécula que se forma en la síntesis de ácidos grasos, de forma que tiene sentido que se inhiba la importación de ácidos grasos para su oxidación en caso de estar sintetizándolos (no hay necesidad energética de hacerlo). 2.3. β-oxidación 1 (pase anterior) El acil-CoA, dentro de la mitocondria, no inicia un ciclo, sino más bien una “hélice” o espiral: el encadenamiento de reacciones de 2 oxidación de los carbonos β de la cadena hidrogenocarbonada del 3 ácido graso para la obtención de sucesivas moléculas de acetil-CoA. 4 5 El carbono β es el tercer carbono del ácido graso (empezando a 6 contar desde el carbono carboxílico). La oxidación se produce sobre 7 este carbono, obteniéndose una molécula de acetil-CoA (de 2 C) y un acil-CoA con 2 carbonos menos. Lehninger Cβ “…para conseguir esto” “cortar aquí” Acetil-CoA Acil-CoA BCB 6 de 36 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-6149695 1 coin = 1 pdf sin publicidad  Metabolismo y Regulación TEMA 5: Metabolismo de lípidos ‣ Degradación de ácidos grasos saturados Vamos a comenzar viendo las etapas de la β-oxidación de ácidos grasos saturados, la ruta “típica”. 1. Oxidación del acil-CoA. La primera reacción es la 1ª oxidación del Cβ, que lleva a cabo la acil-CoA deshidrogenasa. Se trata de una oxidación difícil y se utiliza como cofactor el Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. FAD, que es mejor oxidante que el NAD+, produciéndose FADH2. La enzima introduce un doble enlace en trans entre los carbonos α y β, produciendo trans-Δ2-enoil-CoA. La conformación del enlace es importante porque las enzimas que actúan a (C16) acil-CoA continuación son específicas de enlaces acil-CoA palmitoil-CoA trans. deshidrogenasa 2. Hidratación del doble enlace. La enoil-CoA trans-D2- hidratasa introduce una molécula de H2O y enoil-CoA enoil-CoA deshace el doble enlace, añadiendo un hidratasa grupo OH sobre el Cβ. El resultado es una molécula de L-β-hidroxiacil-CoA. L-b-hidroxi- 3. Oxidación del Cβ. La tercera reacción es la acil-CoA b-hidroxiacil-CoA oxidación final del Cβ, catalizada por la deshidrogenasa enzima β-hidroxiacil-CoA deshidrogenasa, que introduce un grupo cetónico en el b-cetoacil-CoA carbono β, generando β-cetoacetil-CoA. Es acil-CoA acetiltransferasa una oxidación más fácil que la primera por (tiolasa) lo que utiliza NAD+, generándose NADH. Palmit 4. Tiólisis. El paso final es la escisión del β- (C14) acil-CoA 8Ace acetil-CoA cetoacetil-CoA mediante una tiolasa, que miristoil-CoA añade un coenzima A al Cβ oxidado. Con ello, se obtiene una molécula de acetil-CoA y un ácido graso con 2 átomos de carbono menos. Por tanto, por la oxidación de cada Cβ (es decir, por cada 2 carbonos de un ácido graso) se obtiene 1 FADH2 y 1 NADH. Si partimos de un ácido graso saturado de 16C (el ácido palmítico), palmitoil-CoA en su forma activada, su β-oxidación completa dará lugar a 8 moléculas de acetil-CoA (16÷2). El ácido graso dará 7 vueltas (se oxidarán 7 carbonos β) porque en la última ya se forman 2 moléculas de acetil-CoA. Palmitoil-CoA (16C) + 7 CoA + 7 FAD + 7 NAD+ + 7 H2O ↓ 8 Acetil-CoA + 7 FADH2 + 7 NADH + 7 H+ De una molécula de ácido graso con n átomos de carbono se obtienen n/2 moléculas de acetil-CoA, dándose (n/2) — 1 vueltas al ciclo y por tanto produciéndose (n/2) — 1 FADH2 y (n/2) — 1 NADH por cada β-oxidación completa. BCB 7 de 36 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-6149695 1 coin = 1 pdf sin publicidad  Metabolismo y Regulación TEMA 5: Metabolismo de lípidos El acetil-CoA continúa la ruta en el ciclo del ácido cítrico Considerando que en la como ocurre en la glucólisis aerobia. Como un ácido graso cadena de transporte produce varias moléculas de acetil-CoA, el balance electrónico 1 FADH2 da 1.5 energético es bastante elevado. Si tomamos como ejemplo ATPs y 1 NADH da 2.5 ATPs. de nuevo el ácido palmítico, de 16 C: 1 x acetil-CoA (ciclo del ácido cítrico) Cada vuelta de la β-oxidación Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. 3 NADH 7.5 ATP 1 NADH 2.5 ATP 1 FADH2 1.5 ATP 1 FADH2 1.5 ATP 1 GTP 1 ATP 10 ATP 4 ATP 8 x acetil-CoA 7 vueltas 80 ATP 28 ATP Balance energético total 108 ATP — 2 ATPs de la activación del ácido graso Balance energético total 106 ATP ! Como podemos ver, la oxidación completa del ácido palmítico produce 106 ATPs por cada 16C. Si lo comparamos con la glucólisis aerobia, en la que en total se producen 32 ATPs por cada molécula de glucosa (6C), parece evidente que la oxidación de ácidos grasos es más rentable. Además, las grasas, insolubles, ocupan menos espacio que los glúcidos, dado que estos últimos están muy P Propionil-CoA + hidratados (son “hidratos de carbono”). Es Acetil-CoA Acidos grasos de número impar por eso que resulta más práctico para el organismo almacenar las reservas de energía en forma de grasa (en el tejido adiposo, que es “ilimitado”) y no de glucógeno (teniendo en cuenta también que el hígado no puede crecer de forma indefinida). ‣ Degradación de ácidos grasos insaturados Como acabamos de ver, la β-oxidación es un proceso en el que se repiten sucesivas oxidaciones sobre un esqueleto carbonado idéntico cada vez. Sin embargo, ¿qué ocurre si aparece una insaturación (o más)? A la derecha vemos un ácido graso monoinsaturado, el ácido oleico, de 18C (componente principal del aceite de oliva); y un ácido graso poliinsaturado, el ácido linoleico, de 18 C también (un ácido graso esencial omega 6), que tiene 2 insaturaciones. BCB 8 de 36 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-6149695 1 coin = 1 pdf sin publicidad  Metabolismo y Regulación TEMA 5: Metabolismo de lípidos La oxidación de ácidos grasos con insaturaciones no es muy diferente de la oxidación de ácidos grasos saturados: la β-oxidación comienza a dar las vueltas que pueda hasta llegar al doble enlace. Todos los dobles enlaces ya presentes en la cadena hidrogenocarbonada son cis, lo cual será un factor a tener en cuenta dado que las enzimas que tienen que actuar sobre ellos reconocen la conformación trans. - Degradación de ácidos grasos monoinsaturados - El acil-CoA (en este caso el oleoil-CoA) pasa por 3 vueltas de la β-oxidación, generando 3 moléculas de acetil-CoA, quedando un acil-CoA de 12 C. La cuarta vuelta no puede comenzar porque el Cβ está formando parte de un doble enlace en cis con el Cδ (molécula de cis-Δ3- enoil-CoA). Esto no es sustrato ni de la acil-CoA deshidrogenasa ni de la enoil-CoA hidratasa (que solo actúa sobre sustratos trans). - - La enzima que actúa es la Δ3,Δ2-enoil-CoA isomerasa, que cambia la orientación del doble enlace de cis a trans, y además lo cambia de sitio, colocándolo entre los carbonos β y α. - - La molécula que queda es un trans-Δ2-enoil-CoA, un intermediario de la β-oxidación que ya es reconocido por la enoil-CoA hidratasa, y el resto de reacciones se pueden retomar. (hidratasa, deshidrogenasa, tiolasa). En concreto, a esta molécula de 12 C le quedan 5 ciclos, en los que producirá 6 moléculas de acetil-CoA más. ¡El rendimiento de un ácido graso insaturado es el mismo que el de uno saturado! - Degradación de ácidos grasos poliinsaturados - En los ácidos grasos poliinsaturados, como el ácido linoleico, tras las vueltas a la β-oxidación pertinentes (en este caso, 3), se llega a una estructura cis, cis. Actúa la Δ3,Δ2-enoil-CoA isomerasa y el doble enlace que afecta al Cβ adopta una conformación trans y continúa 1 ciclo de β-oxidación (mientras que el otro doble enlace sigue en cis). - Tras una vuelta, se produce la primera oxidación de la 2ª vuelta, obteniéndose un trans-Δ2,cis-Δ4- enoil-CoA. Para resolver esta estructura, tiene que entrar otra enzima, la 2,4-dienoil-CoA reductasa, que reduce un doble enlace y mueve el otro. - - Así, queda un trans-Δ3-enoil que es sustrato de la enoil-CoA isomerasa (la misma que antes), generando un trans-Δ2-enoil-CoA que ya es intermediario de la β-oxidación y permite que se reanuden los ciclos. BCB 9 de 36 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-6149695 Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad.  Metabolismo y Regulación TEMA 5: Metabolismo de lípidos Se piensa que los ácidos grasos insaturados, de origen vegetal, son ¿? más saludables que los ácidos grasos saturados, de origen animal. Es por eso que las margarinas se han puesto muy de moda como sustitutas de la mantequilla, que contiene grasa animal. Sin embargo, una característica de las grasas saturadas es precisamente su mayor punto de fusión: la presencia de insaturaciones hace a las grasas más líquidas (esto tiene una Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. explicación química: la presencia de brazos en las colas las aleja y las débiles interacciones hidrofóbicas que las mantienen desaparecen), fácil de imaginar si pensamos en el aceite de oliva. Esto plantea un problema a la hora de fabricar margarinas vegetales que imiten la consistencia de la mantequilla animal, motivo por el que los fabricantes hidrogenaban estas grasas insaturadas. Como consecuencia de la hidrogenación, se forman ácidos grasos con dobles enlaces que no pueden ser reconocidos por las enzimas que deberían degradarlos y por tanto nuestro cuerpo no los puede asimilar. Por este motivo se llegaron a prohibir las margarinas y este proceso de hidrogenación. La degradación de ácidos grasos insaturados es igual que la de ácidos grasos saturados, solo que requiere algunos pasos extra cuando se llega a un intermediario con dobles enlaces que no puede ser reconocido por las enzimas de la ruta de la β-oxidación. La Δ3,Δ2-enoil-CoA isomerasa cambia la conformación del doble enlace cis a trans y, si es necesario en los poliinsaturados, la 2,4-dienoil-CoA reductasa elimina un doble enlace. ‣ Degradación de ácidos grasos de cadena impar Los ácidos grasos de cadena impar se degradan, mediante la β-oxidación, de la misma forma que los de cadena par. Sin embargo, al no tener un número de carbonos múltiplo de 2, el último ciclo se realiza sobre un acil-CoA de 5 C, lo cual implica que, producto de la última oxidación, se liberará 1 ¡carboxilación! acetil-CoA (2C) y 1 propionil-CoA (3C). El propionil-CoA puede pasar a succinil-CoA por la sucesión de reacciones que vemos a la derecha. Finalmente, el succinil-CoA puede entrar como intermediario en el ciclo del ácido cítrico o pasar a oxalacetato y entrar en la ruta de gluconeogénesis para fabricar glucosa (en el caso del hígado). De nuevo… no es correcto decir que no se puede sintetizar glucosa a partir de los ácidos grasos, ya que sí que es posible si son de cadena impar. 2.4. α-oxidación La α-oxidación es la ruta de degradación de lípidos tales como el ácido fitánico, común en la dieta de personas que comen carne, ya que es abundante en la grasa de rumiantes (tomamos unos 50-100 mg al día). Este ácido graso presenta una cola hidrogenocarbonada con BCB 10 de 36 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-6149695 1 coin = 1 pdf sin publicidad  Metabolismo y Regulación TEMA 5: Metabolismo de lípidos ramificaciones, y tiene un grupo metilo (—CH3) en el carbono β. Debido a esto, el ácido fitánico no puede entrar en la β-oxidación. Sin embargo, disponemos de enzimas que pueden convertir el ácido fitánico en ácido pristánico, que sí que puede entrar en la β-oxidación. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. En primer lugar, ha de activarse el ácido graso, paso catalizado por la fitanoil-CoA sintetasa, produciendo fitanoil-CoA. Sobre el ácido graso activado, la fitanoil- CoA hidroxilasa introduce un grupo —OH sobre el carbono α, generándose α-hidroxifitanoil-CoA. Posteriormente, actúa la α-hidroxifitanoil-CoA liasa, que libera ácido fórmico (que después pasará a CO2) generando pristanal (un aldehido). A continuación, el pristanal se oxida por la aldehido deshidrogenasa, generando ácido pristánico. Este ácido graso ya es sustrato de la β-oxidación. En concreto puede dar una vuelta, en la que produce propionil-CoA y 4,8,12-trimetiltridecanoil-CoA. 2.5. ω-oxidación La ω-oxidación es una ruta alternativa para la degradación de ácidos grasos que se produce en el retículo endoplasmático de hígado y riñón. Consiste en la oxidación del ácido graso empezando por el carbono ω (el carbono más alejado del carbono carboxílico). Los sustratos preferidos son ácidos grasos de 10-12 átomos de carbono, no activados (por -CoA). En mamíferos, esta es una ruta rara, pero importante si hay defectos en la β-oxidación. El primer paso está catalizado por una oxidasa de función mixta que gasta NADPH y O2 para añadir un grupo —OH al Carmen no necesita que nos sepamos esto Cω. Este grupo funcional se oxida por la acción de una alcohol Explicación informativa. deshidrogenasa, dando lugar a un aldehido; que vuelve a oxidarse (por una aldehido deshidrogenasa), produciendo un ácido dicarboxílico. Este ácido dicarboxílico ya puede activarse, uniéndose a un coenzima A por cualquiera de los grupos carboxilo, y entrar en la ruta de la β-oxidación en la mitocondria. En cada vuelta a la β-oxidación, el ácido graso con un carboxilo en cada extremo produce ácidos dicarboxílicos como el ácido succínico (succinato), que puede entrar en el ciclo de Krebs; y ácido adípico. 2.6. Regulación de la β-oxidación La regulación de la β-oxidación está centrada en ① el sistema de entrada del ácido graso a la mitocondria y en ② la regulación alostérica: de la acil-CoA deshidrogenasa por los niveles de BCB 11 de 36 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-6149695 1 coin = 1 pdf sin publicidad  Metabolismo y Regulación TEMA 5: Metabolismo de lípidos FADH2/FAD, de la β-hidroxiacil-CoA deshidrogenasa por los niveles de NADH/NAD+, y de la tiolasa por el acetil-CoA. Principales mecanismos de regulación de la β-oxidación Disponibilidad de Regulación alostérica sustratos Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. La concentración de Malonil-CoA FADH2 NADH acetil-CoA ácidos grasos en sangre ⊥ ⊥ ⊥ ⊥ está regulada por la carnitina acil-CoA β-hidroxiacil-CoA velocidad de hidrólisis Tiolasa aciltransferasa I deshidrogenasa deshidrogenasa de TAG en el tejido adiposo: HSL Ø insulina Uno de los puntos calientes de la regulación de la β-oxidación es la entrada del ácido graso en la mitocondria (mediante el sistema de la lanzadora de carnitina). Es lógico pensar que se inhibirá la entrada de ácidos grasos en el compartimento donde se tienen que degradar en caso de que no exista esta necesidad energética. Para ello, la forma que tiene la célula de “avisar” es utilizando el malonil-CoA como inhibidor de la carnitina aciltransferasa I, ya que esta molécula es la primera que se produce en la ruta de biosíntesis de ácidos grasos. ”¿Para qué quiere la célula degradar ácidos grasos si los está sintetizando?”. Pronto se determinó que el malonil-CoA sólo actúa sobre la CAT-I, pero quedaba por demostrar si la CAT-I y la CAT-II eran proteínas diferentes. En su momento, se propusieron 2 modelos de las CAT del sistema lanzadera de carnitina: POSSIBLE SCHEMES FOR MALONIL-COA INHIBITION OF CPT-I ‣ Si CAT-I y CAT-II son iguales, tiene que existir una proteína reguladora accesoria que se asocie únicamente a la CAT-I para regular su actividad en presencia de malonil-CoA. Para verificar esta hipótesis, habría que demostrar la existencia de esta supuesta subunidad reguladora. ‣ Si CAT-I y CAT-II son diferentes, CAT-I dispondría de un lugar de unión para malonil-CoA (aparte del de unión al palmitoil-CoA) mientras que CAT-II no. Con la llegada de las técnicas de secuenciación, se ha podido comprobar que el modelo correcto es el segundo, es decir, que los transportadores de la membrana externa e interna de la mitocondria, CAT-I y CAT-II son proteínas diferentes. BCB 12 de 36 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-6149695 1 coin = 1 pdf sin publicidad  Metabolismo y Regulación TEMA 5: Metabolismo de lípidos 2.7. Localización de la oxidación de ácidos grasos ! La β-oxidación en animales se produce en mitocondrias y en ocasiones en peroxisomas. En plantas y hongos, se produce únicamente en los peroxisomas (también llamados glioxisomas). Por tanto, aunque hemos hablado de la β-oxidación como un fenómeno mitocondrial, en realidad somos los únicos eucariotas en los que estas reacciones tienen lugar en este orgánulo. ‣ Mitocondria: aquí tiene lugar la β-oxidación de la mayoría de ácidos grasos en animales. ‣ Peroxisoma: a pesar de que inicialmente se desconocían las funciones del peroxisoma, en este orgánulo tienen lugar varios procesos indispensables. De hecho, fallos en componentes del peroxisoma son la base de numerosas patologías, como veremos en el apartado 4 de enfermedades lisosomales. - La α-oxidación de ácidos grasos de cadena ramificada (BCFA), que se importan al peroxisoma por un transportador específico PMP70. - La β-oxidación de ácidos grasos de cadena larga (VLCFA). Estos se importan mediante un transportador ABCD1. Cuando entran VLCFAs activados (VLCFA-CoA) en el peroxisoma, pasan a la ruta de la β-oxidación, produciendo calor, especies para la vía del metabolismo de las ROS, o simplemente acortarse a moléculas de acil-CoA que pueden destinarse a la síntesis de lípidos variados, como lípidos de éter. - La síntesis de ácidos biliares a partir de intermediarios (BASI). Por tanto, existen 2 tipos de β-oxidación: la mitocondrial y la peroxisomal: β-oxidación mitocondrial β-oxidación peroxisomal El FADH2 producido en el paso 1 va a oxidarse El FADH2 producido en el paso 1 reduce al complejo II de la cadena de transporte H2O y O2 a H2O2. La catalasa puede electrónico. transformar el H2O2 en H2O y O2. BCB 13 de 36 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-6149695 Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad.  Metabolismo y Regulación TEMA 5: Metabolismo de lípidos β-oxidación mitocondrial β-oxidación peroxisomal El NADH va a la cadena de transporte El NADH se exporta para gastarse en electrónico. otros procesos y re-oxidarse. El acetil-CoA resultante puede entrar en el El acetil-CoA resultante se exporta desde ciclo de Krebs, que también se produce en la el peroxisoma. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. mitocondria. No está claro para qué sirven los peroxisomas, si la β-oxidación también puede producirse en la mitocondria, pero como veremos más tarde, defectos genéticos que afectan a su funcionamiento tienen efectos graves en la salud. - En plantas, a los peroxisomas también se les llama glioxisomas porque disponen de las enzimas necesarias para realizar el ciclo del glioxilato, que les permite transformar TAG en glucosa. - Esto se produce principalmente en las semillas, que almacenan TAGs (ya que ocupan menos espacio que los polisacáridos como el almidón) y pueden convertirlos en glucosa para utilizarla en su crecimiento (pensemos, por ejemplo, en la importancia de la celulosa para el desarrollo de una planta). - En realidad, lo que pueden hacer las plantas, a diferencia de nosotros, es transformar el acetil-CoA en oxalacetato, compuesto que entra en la ruta de gluconeogénesis. Aquí, por tanto, sí que tiene sentido que la β-oxidación se produzca en el peroxisoma, y en este caso el acetil-CoA no se destinará al CAC en la mitocondria, sino al ciclo del glioxilato. ORGANIZACIÓN DE LAS ENZIMAS DE LA β-OXIDACIÓN: aproximación evolutiva El sistema enzimático de mitocondrias, basado en enzimas aisladas, se ha relacionado con el de bacterias gram- positivas. Las enzimas peroxisomales, por contra, están organizadas formando un complejo que encadena las reacciones, sistema que también encontramos en bacterias gram-negativas. Por eso, en Proteína términos de la teoría endosimbionte, se multifuncional postula que los peroxisomas tienen su Isomerasa origen en una bacteria gram-negativa, mientras que las mitocondrias serían los Epimerasa restos de una bacteria gram-positiva. BCB 14 de 36 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-6149695 1 coin = 1 pdf sin publicidad  Metabolismo y Regulación TEMA 5: Metabolismo de lípidos 3. Cetogénesis La cetogénesis se produce en una situación de ayuno AG HSL prolongado (>48 horas desde la última ingesta). En este Alb contexto, las reservas de glucógeno se han consumido, y la HSL está muy activa debido a que no hay insulina, por lo que se está glucosa β-oxidación acetil-CoA estimulando la degradación de ácidos grasos. En el hígado, Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. OAA cit CC además, estará produciéndose la gluconeogénesis, así que el CC acetil-CoA procedente de la β-oxidación tampoco podrá pasar al ciclo del ácido cítrico ya que el oxalacetato se habrá desviado. Como el cerebro únicamente puede alimentarse de glucosa (los ácidos grasos no pueden atravesar la barrera hematoencefálica), tiene que activarse una vía de emergencia en los hepatocitos para producir compuestos que puedan llegar al cerebro como fuente de energía. Para ello, a partir del acetil-CoA derivado de la degradación de las grasas se producen cuerpos cetónicos. Los cuerpos cetónicos se exportan desde el hígado al cerebro y a otros tejidos (como al músculo esquelético, al riñón o al corazón), donde pueden acceder al ciclo de Krebs. ¡! En la cetogénesis, el cuerpo deja de utilizar los glúcidos como fuente primaria de Tengo energía, sustituyéndolos por las grasas. hambre La cetogénesis tiene lugar en la matriz mitocondrial. O O J J Comienza con 2 moléculas de acetil-CoA procedentes CH3 OC G ! CH3 OC G de la β-oxidación, que se condensan por acción de la S-CoA S-CoA 2 Acetyl-CoA tiolasa, formando acetoacetil-CoA, una molécula de 4 carbonos. thiolase CoA-SH O O La HMG-CoA sintasa mitocondrial añade un acetil-CoA B J CH3 OCOCH2 OC al acetoacetil-CoA, generando hidroximetilglutanil-CoA, G S-CoA una molécula de 6 carbonos. OJO, ya hemos visto una Acetoacetyl-CoA HMG-CoA sintasa (TEMA 4) implicada en la síntesis de HMG-CoA Acetyl-CoA ! H2O synthase colesterol: se trata de la “misma” enzima, solo que en CoA-SH este caso es mitocondrial, no de la membrana del RE. OH O A O M J COCH2 OCOCH2 OC A continuación, entra la HMG-CoA liasa y se forma " D A G O CH3 S-CoA acetoacetato (4C), liberando un acetil-CoA. Este es el # -Hydroxy-# -methylglutaryl-CoA primer cuerpo cetónico. (HMG-CoA) HMG-CoA lyase Acetyl-CoA El acetoacetato es detectable en el aliento, la orina, etc. O O B por su olor característico. M COCH2 OCOCH3 " D O Acetoacetate El segundo cuerpo cetónico es el D-β-hidroxibutirato, D -# -hydroxybutyrate acetoacetate NADH formado a partir del acetoacetato en una reacción decarboxylase dehydrogenase ! H! catalizada por la D-β-hidroxibutirato deshidrogenasa, CO2 NAD! que consume NADH. O O OH B M A CH3 OCOCH3 COCH2 OCHOCH3 Además, se produce acetona por descarboxilación del " O D acetoacetato, ya sea de forma catalizada o espontánea. Acetone D -# -Hydroxybutyrate BCB 15 de 36 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-6149695 1 coin = 1 pdf sin publicidad  Metabolismo y Regulación TEMA 5: Metabolismo de lípidos La acetona no es metabolizable, pero también aparece en el aliento o la orina, como señal para detectar acumulación de cuerpos cetónicos, por ejemplo en diabéticos o en niños que han estado en ayuno mucho tiempo. En definitiva: a partir del acetil-CoA procedente de la degradación de ácidos grasos pueden producirse cuerpos cetónicos: acetoacetato e hidroxibutirato, moléculas que pueden atravesar la barrera hematoencefálica y pueden ser asimiladas y metabolizadas por el cerebro. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. El hígado exporta los cuerpos cetónicos (recordemos: es un órgano altruista), sobretodo para que los utilice el cerebro. De esta forma, indirectamente, el cerebro estará gastando ácidos grasos como fuente de energía. La conocida DIETA KETO se fundamenta en esto: la restricción de la ingesta de glúcidos obliga al organismo a fabricar cuerpos cetónicos para alimentar al cerebro y sobrevivir. Así, las grasas pasan a ser la fuente de energía principal y se degradan, produciendo el “adelgazamiento”. Este régimen hace trabajar en exceso al hígado (peligroso), puede tener un efecto rebote y, si no se controla, puede derivar en cetoacidosis. 3.1. Degradación de cuerpos cetónicos Ahora: ¿cómo se degradan los cuerpos cetónicos OH O para producir energía? Cuando estos llegan al D-# -Hydroxybutyrate CH3 C CH2 C