Tema 5. Metabolismo de lípidos y su regulación PDF

Preview

Summary

Download Tema 5. Metabolismo de lípidos y su regulación PDF

Description

Tema 5. Metabolismo de lípidos y su regulación DIGESTIÓN, MOVILIZACIÓN Y TRANSPORTE DE ÁCIDOS GRASOS En el transporte de lípidos intervienen las lipoproteínas, que transportan colesterol, fosfolípidos, etc. Reciben distintos nombres según su densidad, en orden creciente: quilomicrones, VLDL, LDL, IDL, HDL y VHDL. Los quilomicrones son agregados de lípidos y proteínas con muy baja densidad, los triacilglicéridos representan el 99 % del total. Las VHDL son las apolipoproteínas más densas (Very High Density). La seroalbúmina también se utiliza en el transporte de lípidos, pero es una proteína sanguínea. Grasas de la dieta Son emulsionadas formando micelas con las sales biliares, que ayudan a la solubilización de las grasas. En el intestino delgado tiene lugar la degradación de las grasas, sobre todo de triacilglicéridos por acción de las lipasas. Las lipasas separan el acilgraso del glicerol. Atraviesan la mucosa intestinal, pasan al torrente circulatorio, se unen con los quilomicrones y llegan a los tejidos. Los ácidos grasos entran en las células y ahí se lleva a cabo su degradación. Grasas almacenadas En mamíferos hay células especializadas en la síntesis y almacenamiento de las grasas, las células adiposas. Las grasas almacenadas se movilizan en respuesta a señales hormonales, cuando hay necesidades energéticas. Las reservas lipídicas tardan más en ser movilizadas, aunque se obtiene más energía de ellas que de los glúcidos. Las grasas salen del adipocito, se unen a la seroalbúmina y van a los miocitos, donde se da la oxidación de las grasas. Las señales hormonales son la adrenalina y el glucagón, que activan la adenilil ciclasa, que aumenta el AMPc. El AMPc activa la quinasa, la cual activa la lipasa, por lo que se degradan triacilglicéridos de los adipocitos a ácidos grasos, que pasan al torrente circulatorio, donde se unen a la seroalbúmina. Desde la sangre entran en los miocitos a través de un transportador, entrando así al citosol de la célula. La degradación de los ácidos grasos se da en la mitocondria. Para ello, tienen que ser activados y transportados al interior de esta. Grasas sintetizadas en un órgano y exportadas a otro Estas grasas van a ser transportadas en forma de lipoproteínas, fundamentalmente LDL. La mayoría de las grasas que salen del hígado lo hacen con VLDL y las grasas que van al hígado, normalmente van con HDL. OXIDACIÓN DE ÁCIDOS GRASOS La oxidación de ácidos grasos se da en el interior de la mitocondria, para lo cual los ácidos grasos tienen que ser activados y posteriormente transportados. Triacilgliceroles Los triagilgliceroles, al estar tan concentrados y reducidos rinden mucha energía en su oxidación. Como está acumulados en gotículas, tienen una reactividad baja. Se acumulan bien, pero se movilizan mal. Por acción de las lipasas, los triacilgliceroles se dividen y dan ácidos grasos, que se oxidan, y glicerol, que entra en la ruta glucolítica. Entrada de glicerol en la glucólisis Este proceso representa el 5 % de la energía que proporcional los triacilgliceroles. El glicerol se fosforila por acción de una quinasa a glicerol 3-fosfato, que se oxida por la glicerol 3-fosfato deshidrogenasa y forma dihidroxiacetona fosfato (DHAP), que se puede isomerizar a gliceraldehido 3-fosfato. Por tanto, a partir de una molécula de glicerol se obtiene una molécula de gliceraldehido 3-fosfato, que da lugar a una molécula de piruvato, con consumo de un ATP.

Activación de ácidos grasos Los ácidos grasos se oxidan mediante β-oxidación, denominada así porque se oxida el carbono β, que es el carbono en posición 3. Este proceso ocurre en el interior de la mitocondria. La activación de los ácidos grasos ocurre en la membrana mitocondrial y consiste en la unión del ácido graso al Coa. Esta reacción la lleva a cabo una enzima denominada acil-CoA sintetasa, que cataliza la reacción general: ácido graso + CoA + ATP → acil graso-Coa + AMP + Ppi. Así, la acil-CoA sintetasa cataliza la formación de un enlace tioéster entre el grupo carboxilo del ácido graso y el grupo tiol del coenzima A para generar un acil graso-CoA, acoplada a la escisión de ATP a AMP y Ppi. Se consume una molécula de ATP, pero dos enlaces ricos en energía (ATP→ADP→AMP). La reacción tiene lugar en dos pasos e implica la formación de un intermedio acil graso-adenilato. Transporte de ácidos grasos a la mitocondria En el transporte de los ácidos grasos al interior de la mitocondria interviene una proteína llamada carnitina. Intervienen dos enzimas: carnitina acil transferasa I y II. El objetivo de esta separación es que los depósitos de CoA mitocondrial y citosólico se mantengan independientes. El CoA mitocondrial se usa en muchas rutas degradativas. El acil graso activado se une a la carnitina en el exterior de la mitocondria, formando acil-carnitina, se libera el CoA y entra al espacio intermembrana por acción de la carnitina acil transferasa I, que está en la membrana externa. La acil-carnitina entra en la matriz a través de un transportador específico. Una vez que entra, el acil graso es transferido de la carnitina al CoA mitocondrial. Esta reacción de transferencia está catalizada por la carnitina acil transferasa II, que está en la matriz mitocondrial. La carnitina es liberada y puede salir al citoplasma. Una vez en la mitocondria, el ácido graso va a ser oxidado.

β-oxidación de ácidos grasos La β-oxidación consta de 4 reacciones. En cada ciclo de 4 reacciones se libera un acetil-CoA y una molécula de ácido graso-CoA con dos carbonos menos. El acetil-CoA entra el ciclo de Krebs y el acil graso-CoA vuelve a la β-oxidación, y así sucesivamente hasta que se oxida totalmente el ácido graso. Reacciones, poniendo como ejemplo el palmitoil-CoA (16C): 1. Deshidrogenación ligada a FAD. Se forma un doble enlace entre los átomos de C α y β, dando lugar a un trans enoíl CoA. La enzima que cataliza es la acil-CoA deshidrogenasa. 2. Hidratación. La enzima que cataliza esta reacción es la enoilCoA hidratasa. Añade una molécula de H 2O al doble enlace, se genera el L-β-hidroxiacil-CoA. 3. Deshidrogenación ligada a NAD+. Se produce la oxidación a βcetoacil-CoA. La enzima que cataliza esta reacción es la βhidroxiacil-CoA deshidrogenasa. 4. Tiólisis por CoA. Ruptura en la que interviene el grupo sulfihidrilo del CoA. Esta reacción es catalizada por la acil-CoA

acetiltransferasa o tiolasa. Se produce la ruptura, la liberación de un acetil-CoA y la formación de un acil graso-CoA con 2 C menos. El acil-CoA entra en un nuevo ciclo en el que se libera nuevamente acetil-CoA, etc. En la última etapa del último ciclo se liberan dos moléculas de acetilCoA. Los electrones de los coenzimas reducidos que se forman (NADH y FADH 2) van a la cadena de transporte electrónico.

Reacción global de un ciclo

Reacción global de la degradación completa

A partir de un palmitoil, se obtiene 8 acetil-CoA, por lo que se generarán 108 ATP. Como en la activación del palmitato a palmitoil se gastan 2 ATP, la ganancia neta es de 106 ATP. Sin embargo, a partir de una glucosa obtenemos 2 acetil-CoA, por lo que la diferencia energética es considerable. Se obtiene mucha más energía con la oxidación de un ácido graso que con la de una molécula de glucosa. Además, la degradación de ácidos grasos es capaz de generar H 2O. Tomando como ejemplo el palmitoil: • Activación. Se consume 1 H2O. • Β-oxidación. Se consumen 7 H2O. • Ciclo de Krebs. Se consumen 2 H 2O por cada acetil-CoA. Como se generan 8 acetil-CoA, se consumen 16 H2O. • Cadena de transporte. Se genera 1 H2O por cada NADH y 1 H2O por cada FADH2. • Síntesis de ATP. Se produce 1 H2O.

En la cadena de transporte electrónico hay 31 NADH (7 provenientes de la β-oxidación y 24 provenientes del Ciclo de Krebs, 3 NADH por cada acetil-CoA, como hay 8 acetil-CoA→ 24 NADH) y 15 FADH 2 (7 provenientes de la β-oxidación y 8 provenientes del ciclo de Krebs, 1 por cada acetil-CoA→ 8 FADH 2). Oxidación de ácidos grasos insaturados o de cadena impar Ácidos grasos insaturados Los ácidos grasos insaturados requieren etapas adicionales a las ya vistas, porque los dobles enlaces de los ácidos grasos naturales insaturados están en configuración cis, por lo que no son sustrato de la transenoil-CoA hidratasa. Por tanto, se utilizan dos enzimas: isomerasa y reductasa.

•

•

•

Ácidos monoinsaturados. Ejemplo: oleato (18 C, doble enlace entre C9 y C10). En el primer paso de la oxidación, el oleato se convierte en oleil-CoA, que entra a la matriz mitocondrial igual que los ácidos grasos saturados. A continuación, el oleil-CoA pasa tres veces a través del ciclo de oxidación de ácidos grasos, generando tres moléculas de acetil-CoA y el acil-CoA de 12 C (6 C menos). En el cuarto ciclo, este producto no sirve como sustrato para la enoil-CoA hidratasa, que solo actúa sobre los dobles enlaces trans. La isomerasa isomeriza el cis-enoil-CoA para dar lugar a trans-enoilCoA, que es convertido por la enoil-CoA hidratasa en el correspondiente L-β-hidroxiacil-CoA. Sobre este intermediario actúan las enzimas restantes para generar acetil-CoA y el acil-CoA con 10 C. El ciclo se repite hasta la degradación completa del ácido graso. En el cuarto ciclo el oleil-CoA no pasa por la deshidrogenación ligada a FAD, porque la deshidrogenación sirve para formar un doble enlace y el ácido graso insaturado ya lo tiene. Así pues, no se produce una molécula de FADH 2 y el balance energético es menor. Ácidos poliinsaturados. Ejemplo: linoleil-CoA (18C, doble enlace en C9 y en C12). El linoleil-CoA pasa tres veces a través de la β-oxidación, generando 3 acetil-CoA y el acilCoA de 12 C. En el cuarto ciclo, este producto no puede ser utilizado por las enzimas de la ruta. Sin embargo, la isomerasa hace que el enlace cis pase a trans, de modo que el ácido entra en otro ciclo de oxidación y se da la primera deshidrogenación de otro ciclo. En este punto, el ácido tiene 10 C, un enlace cis y un enlace trans, formado en la primera deshidrogenación del ciclo. Aquí, la reductasa reduce el enlace cis generando una molécula de NADP+. De esta forma, sólo queda un enlace trans y el ácido graso sigue la ruta normal de la β-oxidación hasta su degradación, generando seis moléculas de acetil-CoA más. Ácidos de cadena impar. No son frecuentes, pero los hay. En este caso, el último acil graso va a tener 5 átomos de C, por lo que se va a obtener 1 acetil-CoA y una molécula de 3 átomos de C, que es el propionil-CoA. Este compuesto entra en el ciclo de Krebs a través del succinil-Coa. Se necesitan tres reacciones para que esto ocurra: ◦ Carboxilación. Es catalizada por la propionil-CoA carboxilasa. Entra 1 CO2 y se consume un equivalente de ATP. La propionil-CoA carboxilasa tiene como cofactor la biotina, igual que todas las carboxilasas. Esta reacción da lugar al metilmalonil-CoA.

◦ Epimerización. El D-metilmalonil-CoA pasa a su forma L en una reacción catalizada por la metilmalonil-CoA epimerasa. ◦ Reestructuración. El L-metilmalonil-CoA pasa a succinil-CoA en una reacción catalizada por la metilmalonil-CoA mutasa, que utiliza como coenzima la vitamina B12.

Regulación de la β-oxidación La β-oxidación está coordinada con la síntesis de ácidos grasos. Hay tres puntos donde tiene lugar la regulación y el primordial es a nivel del malonil-CoA, que es un participante en la síntesis de ácidos grasos en la mitocondria. Actúa específicamente sobre la carnitina aciltransferasa I. Aparte, la β-oxidación está regulada a nivel de dos reacciones de la propia ruta mediante una regulación a nivel de producto: • β-hidroxiacil-CoA deshidrogenasa. Se inhibe cuando la relación NADH/NAD es elevada. • Tiolasa. Es inhibida cuando los niveles de acetil-CoA son elevados. Si se acumula poder reductor, se inhibe la degradación de ácidos grasos. Localización de la β-oxidación En las células animales tiene lugar en la matriz mitocondrial, pero también en los peroxisomas, ricos en peroxidasas. En las células vegetales se da en los peroxisomas y en los glioxisomas. La β-oxidación en peroxisomas y glioxisomas es diferente a la de en la mitocondria. En la mitocondria, los electrones de NADH y de FADH2 son cedidos a la cadena de transporte de electrones. En los peroxisomas los electrones del FADH 2 son cedidos al O2 produciendo H2O2. El H2O2 luego da O2 y H2O y la energía se libera en forma de calor. Los electrones de NADH no se pueden oxidar en el peroxisoma, porque no hay cadena de transporte electrónico, por lo que el NADH tiene que salir del peroxisoma para reoxidarse. El acetil-CoA del peroxisoma también es exportado. En los glioxisomas de las semillas y los peroxisomas de las hojas se producen precursores biosintéticos a partir de acetil-CoA. Las enzimas que actúan en la β-oxidación en los peroxisomas son isoformas de las que se utilizan en la mitocondria. El ciclo del gliosilato facilita que las plantas usen acetil-CoA para formar hexosas, cosa que en los animales no ocurre. El acetil-CoA da oxalacetato que, mediante gluconeogénesis, da glucosa.

ω-oxidación de ácidos grasos Esta ruta implica la oxidación del carbono omega (ω). Ocurre en vertebrados, pero es minoritaria en mamíferos. Las enzimas que realizan este proceso se encuentran en el retículo endoplasmático de hígado y riñón. Actúan sobre ácidos grasos de 10-12 C preferentemente. La primera reacción es una reducción en la que interviene el NADPH y la enzima que la cataliza es una oxidasa de función mixta. Las otras reacciones son de deshidrogenación y se genera NADH. El ácido dicarboxílico que se forma entra en la β-oxidación unido al CoA y se producen ácidos dicarboxílicos. α-oxidación de ácidos grasos de cadena ramificada La oxidación de los ácidos grasos ramificados ocurre en el interior de los peroxisomas, porque el metilo del Cβ impide la β-oxidación. Ejemplo: ácido fitánico. El ácido fitánico se une al CoA y da fitanoil-CoA. Después, se descarboxila, sale CO2 y se produce la oxidación. Debido a la presencia del grupo metilo en el C β se tienen que producir unas reacciones que conllevan la descarboxilación y oxidación de este ácido graso para que entre en la βoxidación. Uno de los productos de esta ruta es el propionil-CoA. CUERPOS CETÓNICOS El acetil-CoA, una vez se ha formado, puede seguir diferentes rutas: ciclo de Krebs o ser incorporado a rutas biosintéticas, como la formación de cuerpos cetónicos (acetoacetato, β-D-hidroxibutirato y acetona), que suelen ser transportados a otros órganos para utilizarlos como combustible. Se forman en el hígado de humanos y otros muchos mamíferos. Cetogénesis El acetoacetato y el β-D-hidroxibutirato (DHB) pueden ser utilizados como fuente de energía en el músculo cardíaco, en el esquelético y en la corteza suprarrenal. Incluso se pueden utilizar en el cerebro, pues en ausencia de glucosa utiliza los cuerpos cetónicos para obtener energía. La acetona normalmente se exhala. La cetogénesis ocurre en la matriz mitocondrial de las células hepáticas. Proceso • Dos moléculas de acetil-CoA se condensan dando acetoacetil-CoA. Esta reacción es inversa a la de la βoxidación catalizada por la tiolasa. En la oxidación, el acetilCoA se rompe y en la cetogénesis, se une. 2 acetil-CoA → acetoacetil-CoA • A partir del acetoacetil-CoA se obtiene hidroximetilglutanilCoA en una reacción catalizada por la hidroximetilglutanilCoA sintetasa. En esta reacción entra una nueva molécula de acetil-CoA. Acetoacetil-CoA→ hidroximetilglutanil-CoA • Formación de acetoacetato. Se rompe el hidroximetilglutanil-CoA por acción de la hidroximetilglutanil-CoA liasa y se obtiene el acetoacetato. Sale una molécula de acetil-CoA. Hidroximetilglutanil-CoA→acetoacetato • El acetoacetato, por acción de la acetoacetato descarboxilasa, da acetona, que se exhala.

Acetoacetato→acetona • El acetoacetato se puede reducir a β-D-hidroxibutirato en una reacción ligada al NADH catalizada por la β-D-hidroxibutirato deshidrogenasa. Esta enzima es D-específica y sólo se localiza en la mitocondria. Acetoacetato→β-D-hidroxibutirato El acetoacetato y el β-D-hidroxibutirato pueden ser transportados a otros sitios y ser utilizados como fuentes de combustible metabólico. El balance es: 2 acetil-CoA + H 2O →acetoacetato + 2 CoA + H+. Uso de cuerpos cetónicos como combustible Para que sean reutilizados como combustible, los cuerpos cetónicos deben rendir acetil-CoA. Al llegar a los tejidos extrahepáticos, el proceso no es totalmente inverso a la síntesis. A partir del DHB se produce su oxidación ligada a NADH, que genera acetoacetato. El acetoacetato, en una reacción no reversible catalizada por cetoacil-CoA transferasa en la que interviene el succinil-CoA, se forma acetoacetil-CoA. Se forma succinato también. El acetoacetil-CoA, por acción de la tiolasa, se rompe para dar dos moléculas de acetil-CoA. A partir del DHB que se ha formado cuando hay acumulación de acetil-CoA puede ser transportado a otros tejidos y ser utilizado como fuente de energía.

Uso de β-D-hidroxibutirato como combustible

Diabetes no tratada El oxalacetato se usa para dar glucosa y el acetil-CoA no entra en el ciclo de Krebs, porque al salir los intermediarios del ciclo, este se ralentiza y se acumula acetil-CoA, que forma cuerpos cetónicos en exceso (cetosis). El aumento de los cuerpos cetónicos en sangre disminuye el pH sanguíneo (acidosis). En ayuno o inanición también se producen cetonas. En ayuno, disminuye la insulina y aumenta el glucagón. Se degradan grasas, que dan ácidos grasos, estos dan acetil-CoA y este, finalmente da acetonas, que se utilizan como combustible, primero en el cerebro.

SÍNTESIS DE ÁCIDOS GRASOS La síntesis de ácidos grasos ocurre en animales de modo puntual, porque es suficiente con los de la dieta. Ocurre normalmente en el hígado o en tejidos adiposos y es bastante intensa durante el desarrollo embrionario y durante la lactancia en las glándulas mamarias. Características • En animales se localiza en el citosol y en plantas, en los cloroplastos. • Se forman intermediarios que van a estar unidos a una proteína portadora de acilos (ACP). En la βoxidación, los intermediarios están unidos al CoA. • La realiza un complejo enzimático denominado ácido graso sintasa. • Durante la síntesis se van adicionando unidades de 2 C en cada ciclo, derivados del acetil-CoA, pero el dado es el malonil-CoA (malonil-ACP). • La molécula reductora es el NADPH. • Normalmente el producto de la síntesis de la ácido graso sintasa es el palmitato (16 C). Si se quieren ácidos grasos de cadena más larga o insaturados intervienen otras rutas. • Para la síntesis hay tres requerimientos básicos: acetil-CoA, malonil-CoA y NADPH.

La etapa limitante de la síntesis es la primera reacción, la síntesis de malonil-CoA por la acetil-CoA carboxilasa. La etapa limitante de la β-oxidación es la entrada de los ácidos grasos a la mitocondria. Ácido graso sintasa Existen dos variantes principales de ácido graso sintasa (FAS): la que se encuentra en los vertebrados y hongos (FAS I), y la de plantas y bacterias (FAS II). La FAS I tiene siete sitios activos diferentes para reacciones diferentes que se encuentran en dominios separados. El polipéptido funciona como un homodímero y las subunidades funcionan de forma independiente. En levaduras y hongos, la FAS I es ligeramente diferente, ya que está formada por dos polipéptidos multifuncionales. A lo largo de todo el proceso, los intermediarios permanecen unidos covalentemente a uno de dos grupos tiol. Un sitio de unión es el grupo tiol de uno de los dominios de la sintasa (β-cetoacil- ACP sintasa; KS); el otro es el grupo tiol de la proteína transportadora de acilos (ACP), que tiene como grupo protético la fosfopanteína. Proceso • Primera reacción. Formación de malonil-CoA. Está catalizada por la acetil-CoA carboxilasa, que tiene tres regiones funcionales: la biotina carboxilasa, la transcarboxilasa y la proteína transportadora de biotina. Esta enzima utiliza la biotina como coenzima y cataliza la formación del malonil-CoA. Intervienen 1 HCO3-, 1 acetil-CoA y 1 ATP para dar malonil-CoA, ADP y Pi. HCO3- + acetil-CoA + ATP → malonil-CoA + ADP + Pi Es una reacción en la que interviene la coenzima directamente y se da en dos pasos. Un grupo carboxilo del bicarbonato se transfiere a la biotina. Estructura de la acetil-CoA carboxilasa Despu...