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BIOQUIMICA 2014-2015

TEMA 3. SÍNTESIS DE LOS ÁCIDOS GRASOS

LOS ÁCIDOS GRASOS SE SINTETIZAN Y SE DEGRADAN A PARTIR DE RUTAS DIFERENTES Algunas diferencias importantes entre estas rutas son las siguientes: 1. La síntesis tiene lugar en el CITOSOL, a diferencia de la degradación, que se produce en la MATRIZ MITOCONDRIAL. 2. Los intermediarios en la síntesis de ácidos grasos se unen covalentemente a grupos sulfhidrilos de una proteína transportadora de acilos (ACP, ACYL CARRIER PROTEIN), mientras que los intermediarios de la degradación de los ácidos grasos están unidos covalentemente a grupos sulfhidrilos de la COENZIMA A.

3. En los organismos superiores, los enzimas que participan en la síntesis de los ácidos grasos están integrados en una única cadena polipeptídica llamada ÁCIDO GRASO SINTASA. Por el contrario, los enzimas degradativos no están asociados entre sí. 4. La cadena de ácidos grasos se alarga y crece por la adicción secuencial de unidades de 2C derivados del ACETIL-COA. El donador activo de estas unidades en la etapa de elongación es el MALONIL ACP. Cuando libera un CO2 impulsa la reacción de elongación. 5. El reductor en la síntesis de los ácidos grasos es el NADPH, mientras que los oxidantes en la degradación son el NAD+ y el FAD. 6. La elongación a partir de la acción del complejo ácido graso sintasa se acaba en la formación del PALMITATO (C16). Otros sistemas enzimáticos llevan a cabo la elongación y la inserción de dobles enlaces posteriores.

LA FORMACIÓN DE MALONIL COA ES EL PASO LIMITANTE EN LA SÍNTESIS DE ÁCIDOS GRASOS La síntesis de los ácidos grasos comienza con la CARBOXILACIÓN del ACETIL COA a MALONIL COA. Esta reacción es IRREVERSIBLE y el paso limitante en la síntesis de los ácidos grasos.

BIOQUIMICA 2014-2015 La síntesis del malonil CoA está catalizada por la ACETIL COA CARBOXILASA, esta enzima contiene una biotina como grupo prostético. El grupo carboxílico de la biotina está unido covalentemente al grupo amino de un residuo de LISINA. En esta reacción se forma un intermediario que es la CARBOXIBIOTINA a expensas de una hidrólisis de ATP. El grupo CO2 activado de este intermediario se transfiere al ACETIL-COA para dar lugar MALONIL- COA.

LOS INTERMEDIARIOS EN LA SÍNTESIS DE LOS ÁCIDOS GRASOS ESTAN UNIDOS A UNA PROTEINA TRANSPORTADORA DE ACILOS Los intermediarios en la síntesis de los ácidos grasos están unidos a una proteína transportadora de acilos, concretamente, al extremo SULFHIDRILO de un grupo de FOSFOPANTETEINA, que esté esta unido a un residuo de serina de la proteína transportadora de acilos. Por lo tanto, la ACP, es una cadena polipeptídica de 77 residuos, y se puede considerar un grupo prostético gigante.

LA SÍNTESIS DE LOS ÁCIDOS GRASOS CONSISTE EN SERIES DE REACCIONES DE; CONDENSACIÓN, REDUCCIÓN, DESHIDRATACIÓN Y REDUCCIÓN El sistema enzimático que cataliza la síntesis de los ácidos grasos saturados de cadena larga a partir de ACETIL-COA, MALONIL-COA y NADPH, se denomina ÁCIDO GRASO SINTASA, es un complejo enzimático. La fase de elongación de la síntesis de los ácidos grasos comienza con la formación de ACETIL ACP y MALONIL ACP, las enzimas que catalizan estas reacciones son ACETIL-TRANSACILASA y la MALONIL-TRANSACILASA. La malonil-transacilasa es muy específica mientras que la acetiltransacilasa puede transferir grupos acil diferentes de la unitat acetil, aunque a una velocidad muy inferior. La síntesis de ácidos grasos con un numero INPAR, comienza con la formación de PROPIONIL ACP, el cual se forma a partir de PROPIONIL COA por la acción de la PROPIONILTRANSACILASA.

BIOQUIMICA 2014-2015 1. Condensación El acetil-ACP y el malonil-ACP reaccionen y forman ACETOACETIL ACP, el enzima condensador es el ACIL-MALONIL ACP o β-CETOACIL-SINTASA. En esta reacción de condensación se forma una unidad de 4C a partir de una molécula de 2C y otra de 3C, y se libera un CO2.

Las 3 etapas siguientes reducen el grupo cetona del C3 a grupo metileno.

2. Reducción En primer lugar, el ACETOACETIL ACP se reduce a D-3 HIDROXIBUTIRIL ACP, catalizada por la β- CETOACIL ACP REDUCTASA. Esta reacción se diferencia de la degradación en; 1) se forma el isómero D i no el L 2) el agente reductor es el NADPH mientras que en la oxidación/degradación el agente oxidante es el NAD+.

3. Deshidratación A continuación, el D-3-HIDROXIBUTIRIL ACP se deshidrata para formar CROTONIL ACP (trans-Δ2 enoil ACP), a partir del D-3-HIDROXIBUTIRIL ACP.

4. Reducción La etapa final del ciclo reduce el CRONOTIL ACP a BUTIRIL ACP, el reductor es el

BIOQUIMICA 2014-2015 NADPH en lugar del FAD como seria en el caso de la degradación. La enzima que cataliza esta reacción es la ENOIL-ACP REDUCTASA.

El ciclo de elongación continúa hasta que se forma el PALMITIL ACP. A continuación se produce una hidrólisis por parte de la TIOESTERASA para producir PALMITATO (C16) y ACP. La tioesterasa actúa como una regla para determinar la longitud de la cadena del ácido graso.

EN LOS ANIMALES UN COMPLEJO ENZIMÁTICO MULTIFUNCIONAL SINTETIZA LOS ÁCIDOS GRASOS Las reacciones bioquímicas básicas en la síntesis de los ácidos grasos son muy parecidas en el E.Coli i en los eucariotas, aunque la estructura de la acido graso sintasa varia considerablemente. Los enzimas que componen las sintasas de los ácidos grasos de los animales, a diferencia de la E.coli y de las plantas, están unidos en una gran cadena polipeptídica. El ácido graso sintasa de los mamíferos es un dímero con subunidades idénticas de 272kDa. Cada cadena se dobla en 3 dominios que están unidos a partir de regiones flexibles que les permiten hacer los movimientos necesarios para la cooperación entre los centros activos de la enzima. 

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El DOMINIO 1, es la unidad de entrada y de condensación del sustrato, contiene el ACETIL-TRANSFERASA, la MALONIL-TRANSFERASA y la β-CETOACIL-SINTASA (enzima condensador) El DOMINIO 2, es la unidad de reducción, incluye la proteína transportadora de acilos, β-CETOACIL ACP REDUCTASA,la D-3-HIDROXIBUTIRIL ACP DESHIDRATASA y la ENOIL ACP REDUCTASA. El DOMINIO 3, es la unidad liberadora de palmitato, contiene la TIOESTERASA.

Por lo tanto, en una única cadena polipeptidica hay 7 centros catalíticos diferentes.

ESTEQUIOMETRIA

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EL CITRATO TRANSPORTA GRUPOS ACETIL DESDE LAS MITOCONDRIAS HASTA EL CITOSOL PARA LA SÍNTESIS DE ÁCIDOS GRASOS Los ácidos grasos se sintetizan en el citosol, mientras que el ACETIL COA se forma en las mitocondrias a partir del piruvato. Por lo que el acetil-CoA se ha de transferir de la mitocondria al citosol para poder formar ácidos grasos, pero existe un problema ya que la mitocondria no es permeable al acetil-CoA, por lo tanto la barrera para el transporte de acetil-CoA se evita con el CITRATO, que transporta grupos acetilo a través de la membrana mitocondrial interna. El citrato se forma en la matriz mitocondrial a partir de la condensación de oxalacetato y acetilCoA. Cuando hay un nivel elevado, el citrato se transporta al citosol, donde se produce una hidrólisis de ATP a partir de la CITRATO-LIASA rompiéndose el citrato y dando lugar a ACETILCOA y OXALACETATO ALGUNAS FUENTES PROPORCIONAN NADPH PARA LA SÍNTESIS DE LOS ÁCIDOS GRASOS El OXALACETATO que se forma durante la transferencia de grupos acetilo al citosol ha de volver a la mitocondria. La membrana mitocondrial interna es IMPERMEABLE al oxalacetato, por lo que se necesitaran reacciones adicionales. Estas reacciones generan una gran parte del NADPH necesario para la síntesis de ácidos grasos. En primer lugar, el NADH reduce el OXALACETATO a MALATO a partir del MALATO DESHIDROGENASA, esta reacción se produce en el citosol. En segundo lugar, el MALATO se descarboxila oxidativamente por la acción del MALATO DESHIDROGENASA DEPENDIENTE DE NADP+ o ENZIMA MALIC dando lugar a PIRUVATO. El piruvato que se forma entra fácilmente a la mitocondria, donde la PIRUVATO CARBOXILASA lo carboxila a OXALACETATO.

BIOQUIMICA 2014-2015 Por lo tanto, por cada molécula de acetil-CoA que se transfiere desde la mitocondria hasta el citosol se genera una molécula de NADPH. Las 6 moléculas de NADPH que se necesitan adicionalmente para este proceso provienen de la ruta de las pentosas fosfato.

ACETIL-COA CARBOXILASA CUMPLE UNA FUNCIÓN CLAVE EN EL CONTROL DEL METABOLISMO DE LOS ÁCIDOS GRASOS El metabolismo de los ácidos grasos está estrictamente controlado, de manera que la síntesis y la degradación obedecen fielmente a las necesidades fisiológicas. La SÍNTESIS es máxima cuando los glúcidos y la energía son abundantes y escasean los ácidos grasos. El ACETIL-COA CARBOXILASA cumple una función esencial en la regulación de la síntesis y de la degradación. Está sometido a una regulación local y hormonal. ACETIL-COA CARBOXILASA REGULADO POR LAS CONDICIONES DE LA CÉLULA Cuando esta desfosforilada la enzima está activa, y cuando esta fosforilada está inactiva. 

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PROTEINA QUINASA DEPENDIENTE DE AMP (AMPK): Convierte la carboxilasa en una forma inactiva, a partir de la modificación de un residuo concreto de SERINA. AMPK básicamente es un indicador del nivel de combustible, se activa a partir de AMP y se inhibe a partir de ATP. Por lo tanto, se activa cuando la carga energética es baja. CITRATO: Actúa sobre la acetil-CoA carboxilasa inactiva, que existe en forma de dímeros aislados. El citrato facilita la polimerización de los dímeros inactivos en

BIOQUIMICA 2014-2015 filamentos activos. La polimerización provocada por citrato puede revertir parcialmente la inhibición producida por fosforilación. El nivel de citrato es alto cuando hay mucho acetil-CoA y ATP, esto indica que hay material disponible para formar ácidos grasos. El efecto estimulador sobre la carboxilasa esta compensado por el PALMITOIL COA. 

PALMITOIL COA: hay mucho cuando hay un exceso de ácidos grasos. Este provoca el desacoplamiento de los filamentos en subunidades inactivas. Además inhibe la translocasa que transporta el citrato desde la mitocondria hasta el citosol, y también la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa, la cual genera NADPH en la ruta de las pentosas fosfato.

El ACETIL-COA CARBOXILASA también interviene en la regulación de la degradación. 

MALONIL COA: está presente en una concentración elevada cuando hay muchas moléculas combustibles. Este inhibe a la CARNITINA ACILTRANSFERASA I, e impide el acceso de acilgraso –CoA a la matriz mitocondrial en condiciones de abundancia. Inhibe a la CAT I especialmente en el corazón y músculo y tejidos que por sí solos tienen una baja capacidad de síntesis de los ácidos grasos.

ACETIL-COA CARBOXILASA REGULADA AMPLIAMENTE POR HORMONAS La INSULINA estimula la síntesis de ácidos grasos a partir de la activación de la carboxilasa, mientras que el GLUCAGÓN y la EPINEFRINA tienen el efecto contrario. 

GLUCAGÓN y EPINEFRINA: Las reservas de glucosa serán bajas, pero los lípidos estarán fácilmente disponibles para movilizarse. Estas hormonas estimularan la liberación de ácidos grasos a partir de triglicéridos en los adipocitos, para pasar a la sangre, y probablemente también a partir de las células musculares, donde los ácidos grasos se utilizaran como combustibles.

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INSULINA: Está inhibe la movilización de los ácidos grasos y estimula la acumulación de triglicéridos en el músculo y los adipocitos. También estimula la síntesis a partir de la acetil-CoA carboxilasa. La insulina activa la carboxilasa a partir de la estimulación de la actividad de una proteína fosfatasa que desfosforila y activa la acetil-CoA carboxilasa.

ELONGACIÓN E INSATURACIÓN DE LOS ÁCIDOS GRASOS ELONGACIÓN El principal producto del ÁCIDO GRASO SINTASA es el PALMITATO. En los eucariotas, los ácidos más largos se forman a partir de reacciones de elongación catalizadas por enzimas que están situadas en la CARA CITOSOLICA DEL RETICULO ENDOPLASMÁTICO. Estas reacciones añaden secuencialmente unidades de 2C a los extremos carboxil de sustrato ACIL- COA tanto en saturados como insaturados. El MALONIL COA es el donador de 2C en la elongación de acilCoA.

BIOQUIMICA 2014-2015 FORMACIÓN DE ÁCIDOS GRASOS INSATURADOS Los sistemas del retículo endoplasmático también introducen dobles enlaces en los ACIL COA de cadena larga. Esta reacción está catalizada por un complejo de 3 proteínas unidas a la membrana: NADH-CITOCROMO B5-REDUCTASA, CITOCROMO B5 y una DESATURASA. En primer lugar, los electrones se transfieren des del NADH hasta el FAD del NADH CITOCROMO B5 REDUCTASA. El átomo de hierro hemático del citocromo b5 se reduce a Fe2+. El átomo de hierro no hemático de la desaturasa se convierte en Fe2+, la cual cosa permite que interaccione con el O2 y con el sustrato ACIL COA saturado. El resultado es la formación de un doble enlace y la liberación de un H2O Los mamíferos no tienen los enzimas que introducen los dobles enlaces en átomos de carbono situados más allá del C9 en la cadena del ácido graso, hacia el extremo metil terminal....