CAPITULO 5: METABOLISMO DE LIPIDOS LÍPIDOS: Estructuras moleculares y su función. Los lípidos son un grupo de biomoléculas que a diferencia de las proteínas y de los hidratos de carbono no presentan una unidad estructural repetitiva. Están constituidos por compuestos de composición química muy variada, pero que presentan la característica común de ser insolubles en agua y solubles en solventes orgánicos, tales como hexano, metanol, benceno, cloroformo, diclorometano o bien una mezcla de ellos, como por ejemplo cloroformo:metanol (2:1). Entre las principales funciones de los lípidos se puede decir que: •

Desempeñan una función estructural en los seres vivos al ser componentes de las membranas biológicas (fosfolípidos, glicolípidos y colesterol).

•

Constituyen una fuente importante de reserva de energía en animales y semillas oleaginosas (triacilglicéridos).

•

Dan estructura a algunas vitaminas y hormonas. Por ejemplo las giberelinas, que son hormonas vegetales y tienen la estructura de un diterpeno ácido. Clasificación

Los lípidos se clasifican teniendo en cuenta la presencia o ausencia de ácidos grasos (Tabla 5-1). Tabla 5-1. Clasificación de los lípidos.

Ácidos grasos Los ácidos grasos son cadenas hidrocarbonadas con un grupo carboxilo terminal (C1). Las cadenas de los ácidos grasos pueden tener entre 4 y 26 átomos de carbono, pero son las más comunes aquellas que tienen 16 y 18 (Fig. 1-22).

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Fig.5-1. Fórmula de los ácidos palmítico y esteárico Los ácidos grasos pueden ser saturados o insaturados, estos últimos a su vez pueden ser monoinsaturados o polinsaturados (Fig. 5-2).

Fig. 5-2. Fórmula general de los ácidos grasos saturados, monoinsaturados y polinsaturados Una forma simple de denominar a los ácidos grasos es de acuerdo al número de carbonos y dobles enlaces que poseen, por ejemplo el esteárico se simboliza 18:0 (18 átomos de carbono, 0 doble enlace) y el oleico 18:1 (18 C, 1 doble enlace) (Tabla 5-2).

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Tabla 5-2. Algunos de los ácidos grasos más comunes en los organismos superiores. Nombre común

Número de átomos de carbono

Dobles enlaces

Láurico

12

12:0

Mirístico

14

14:0

Palmítico

16

16:0

Palmitoleico

16

16:1

Esteárico

18

18:0

Oleico

18

18:1

Linoleico

18

18:2

Linolénico

18

18:3

Araquídico

20

20:0

Araquidónico

20

20:1

En la naturaleza la mayoría de los ácidos grasos presentan un número par de carbonos, pero también existen ácidos grasos con un número impar de átomos de carbono. Aunque se encuentran en baja proporción tienen una cierta importancia porque como resultado de su catabolismo se obtiene Acetil-CoA y Propionil-CoA y éste último puede ser utilizado para obtener esqueletos carbonados a partir de grasas. Los ácidos grasos se encuentran en muy baja cantidad en estado libre en la naturaleza, normalmente se encuentran asociados a otras moléculas formando parte de los fosfolípidos, acilglicéridos (dentro de estos los más comunes son los triacilglicéridos o triglicéridos) y glicolípidos.

Lípidos simples Acilglicéridos Son ésteres de un alcohol, preferentemente glicerol, con ácidos grasos. El glicerol es un alcohol de 3 átomos de carbono que posee tres funciones alcohólicas, una en cada uno de sus carbonos. De acuerdo al número de funciones alcohólicas esterificadas por ácidos grasos se obtendrán monoacilglicéridos, diacilglicéridos y triacilglicéridos (Fig. 53). Los ácidos grasos que esterifican al glicerol pueden ser iguales o diferentes.

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Fig. 5-3. Estructura general de los mono, di y triacilglicéridos Los triacilglicéridos son comúnmente denominados “grasas neutras”. Cuando las grasas son sólidas a temperatura ambiente se denominan grasas propiamente dichas y si son líquidas reciben el nombre de aceites. Las triacilglicéridos representan los lípidos más abundantes en la naturaleza, cumpliendo fundamentalmente una función de reserva de energía tanto en animales como en semillas oleaginosas. Estas moléculas son muy eficientes como reserva energética debido fundamentalmente a: su hidrofobicidad, ya que al ser muy apolares no tienen capacidad de retener agua, lo que hace que almacenen una mayor cantidad de energía por unidad de peso que el glucógeno y el almidón; y a que sus átomos de carbono se encuentran más reducidos que los de los glúcidos, por lo que el recorrido hasta oxidarse completamente a CO2 y agua en Ciclo de Krebs y Cadena Respiratoria es mayor y se obtiene una gran cantidad de energía.

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Metabolismo de los lípidos El metabolismo de los lípidos es un tema muy extenso, ya que estos poseen estructuras químicas muy diversas, por lo tanto cada uno tiene sus particulares vías de síntesis y degradación. Sin embargo, tanto los lípidos simples como los lípidos complejos tienen algo en común, que es la presencia de ácidos grasos en su molécula, ya que estos prácticamente no se encuentran en forma libre, sino que se encuentran formando parte principalmente de triacilglicéridos, fosfolípidos y glicolípidos. Los triacilglicéridos representan la principal forma de almacenamiento de energía química; mientras que los fosfolípidos y glicolípidos son constituyentes de membranas biológicas. La función metabólica de los triacilglicéridos es la de reserva de ácidos grasos, principalmente como fuente de energía. Debido a esta importancia biológica es que daremos especial énfasis al estudio del metabolismo de los ácidos grasos. Además, el estudio del metabolismo de los ácidos grasos nos proporcionará un claro ejemplo de los principios generales del metabolismo, esto es: la vía de degradación de ácidos grasos es totalmente distinta a la vía de síntesis de los mismos, y la ubicación subcelular de dichos procesos también son diferentes. Asimismo nos proporcionará la oportunidad de realizar su integración con otros metabolismos. Los triacilglicéridos: eficientes reservas de energía Existen dos razones fundamentales por las cuales la naturaleza seleccionó a los triacilglicéridos como moléculas de reserva energética y para largo plazo: 1) Los ácidos grasos (9 Kcal/g) son moléculas altamente reducidas, proporcionan más del doble de energía por unidad de masa que los carbohidratos (4 Kcal/g). 2) Se almacenan de manera anhidra. Los triacilglicéridos, son moléculas carentes de carga y prácticamente insolubles en agua (hidrófobicas) por lo que se almacenan de manera anhidra. Mientras que la glucosa, que se almacena como glucógeno (en los animales) y almidón (en los vegetales), es hidrofílica por lo tanto, solamente un tercio de la masa total de hidratos de carbono almacenados está disponible como energía metabólica. Por estas dos razones es que un gramo de grasa, almacenada en forma prácticamente anhidra, acumula más de seis veces energía que un gramo de glucógeno hidratado. Desde un punto de vista cuantitativo las grasas son más importantes que el glucógeno (en animal) o el almidón (en vegetal) ya que la oxidación de las grasas libera una cantidad de energía seis veces superior a la que libera una masa igual del polisacárido en forma hidratada. En conclusión, los triacilglicéridos fueron seleccionados en la evolución como el principal reservorio de energía, ya que permiten almacenar mucha mayor cantidad de energía en menor volumen, constituyendo de esta manera una forma más eficiente y concentrada de almacenar energía. Degradación del triacilglicérido: lipólisis Los triacilglicéridos se almacenan en el interior de organelas denominadas oleosomas, esferosomas, cuerpos lipídicos y que son estructuras subcelulares rodeadas por una hemicapa de membrana. Para poder cumplir con su función metabólica, la molécula de triacilglicérido debe ser hidrolizada totalmente proceso conocido como lipólisis. La lipólisis es llevada a cabo por la acción de lipasas que son las enzimas encargadas de hidrolizar las uniones éster de la molécula de triacilglicérido, produciendo una molécula de glicerol y tres moléculas de ácidos grasos las cuales son liberadas al citosol.

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O H2C

O

C O

HC

O

C O

H2C

O

H2O

H2C

C

H2 C

R

H2 C

R

H2 C

R

Lipasa

OH

O 3 HO

HC

OH

H2C

OH

Triacilglicérido

C

H2 C

R

Ácido graso

Glicerol Estos dos productos siguen vías diferentes. Repasaremos brevemente el metabolismo del glicerol; para posteriormente dedicarnos con más profundidad al metabolismo de los ácidos grasos.

Metabolismo del glicerol El glicerol para poder ser metabolizado debe ser activado a glicerol-3-fosfato. La enzima que cataliza esta reacción es la glicerol quinasa y el grupo fosfato es cedido por el ATP. La reacción ocurre en el citosol y es prácticamente irreversible.

En el reino animal solamente las células de hígado, riñón, intestino y glándula mamaria lactante, que poseen esta enzima, pueden metabolizar el glicerol.

El glicerol-3-fosfato, por acción de la enzima glicerol 3 fosfato deshidrogenasa mitocondrial, que usa como coenzima FAD, es transformado en dihidroxiacetonafosfato (DHAP). Es de hacer notar que esta reacción puede ser catalizada en sentido inverso por una deshidrogenasa citoplasmática que usa como coenzima NADH.

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La dihidroxiacetona fosfato es convertida en gliceraldehido-3-fosfato (G-3-P), por acción de la enzima triosa-fosfato isomerasa citoplasmática.

Como se puede observar, estas dos últimas reacciones pueden ocurrir en sentido inverso y por lo tanto es posible obtener glicerol-3-fosfato a partir de triosas fosfato (DHAP y G-3-P). Podemos en este momento hacer una integración de vias metabólicas, siendo el glicerol-3-fosfato un metabolito importante que tiene varias alternativas: •

Síntesis de triacilglicéridos;

•

Síntesis de lípidos complejos (glicerofosfolípidos, gliceroglicolípidos);

•

Al formar triosas fosfato, DHAP y G-3-P, ofrece al glicerol la posibilidad de: realizar la vía gluconeogénica y formar glucosa; o su total degradación, vía glucólisis y ciclo de Krebs.

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Fig. 5-4 Integración de vías metabólicas

Degradación de ácidos grasos Los ácidos grasos, una vez liberados al citosol no quedan libres sino que sufren un proceso denominado “activación” para de esta manera ser aptos para posteriores procesos metabólicos. Para “activarse” los ácidos grasos se unen a una molécula de coenzima A, formando una molécula de Acil-SCoA (forma genérica de denominar a cualquier ácido graso unido a la coenzima A). Activación del ácido graso. Los ácidos grasos son ácidos carboxílicos constituidos por cadenas carbonadas altamente reducidas, que normalmente oscilan en longitudes de 12 a 20 átomos de carbono, por lo que son muy estables y por lo tanto poseen baja reactividad. Esta estabilidad de los enlaces C-C, es superada cuando el ácido graso se une a la coenzima A, permitiéndose de esta manera su oxidación. Por lo tanto, la posibilidad de metabolización de un ácido graso, en este caso particular la β-oxidación del ácido graso depende de un proceso que se ha denominado "mecanismo de activación". La clave para este proceso de activación del ácido graso es el grupo carboxilo que éste posee en el extremo de su cadena (Fig. 5-5).

Fig 5-5. Estructura de un ácido graso

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Papel de la Coenzima A en el metabolismo de los ácidos grasos Los ácidos grasos deben estar activados para poder participar de cualquier proceso metabolico. Por otro lado, la molécula de Coenzima A posee un grupo sulfhidrilo altamente reactivo. NH2 N

Adenina

N N N OH O

O

P

Grupo fosfopanteteína de la CoASH

O OH HO

P

O

OH

O

O

OH H N O

P

H N

O

OH

SH O

O

Fig. 5-6 Molécula de coenzima A

Los ácidos grasos se activan al unirse por medio de su grupo carboxilo (COOH) al grupo sulfhidrilo (SH) de la Coenzima A. El enlace que se forma entre el ácido graso y la molécula “activadora” (Coenzima A) se denomina "tioester" (R-CO-SCoA). Esta unión tioester es un enlace de alta energía. Entonces podemos representar la molécula de ácido graso activada, de la siguiente manera:

Mecanismo de activación de los ácidos grasos Los ácidos grasos se activan por reacción con la molécula de Coenzima A para formar Acil-SCoA, según la siguiente reacción: Ácido graso + CoASH + ATP

→ Acil-SCoA + AMP + PPi

Esta reacción es catalizada por la enzima Acil-SCoA sintetasa, también llamada tioquinasa, requiriendo Coenzima A, ATP y dando como productos Acil-SCoA, AMP y pirofosfato (PPi). La K´eq para esta reacción es aproximadamente 1. Sin embargo el producto PPi se hidroliza inmediatamente por la acción de una pirofosfatasa, produciendo dos moléculas de ácido fosfórico (Pi), según la reacción: PPi + H2O → 2 Pi, por lo cual la 79

reacción de activación de ácidos grasos es un proceso irreversible, dirigiendo la reacción totalmente hacia la derecha. Es de notar que la hidrólisis del PPi es sumamente importante ya que además de hacer que la reacción sea irreversible, permite que se libere una cantidad adicional de energía la cual es necesaria para que se pueda realizar el enlace tioester, que como dijimos es un enlace que posee alta energía. Es decir, se necesita de la energía liberada en la ruptura de ambos enlaces fosfoanhidros del ATP para la formación del enlace tioéster de alta energía entre el ácido graso y la CoA. El costo energético de esta reacción neta se considera equivalente al gasto de 2 ATP Localización subcelular de la activación de los ácidos grasos A diferencia de la degradación de glucosa, los ácidos grasos no se oxidan en citosol. La ubicación subcelular del proceso de degradación de ácidos grasos, por el mecanismo de la β-oxidación, puede ocurrir dependiendo del tipo de organismo y de las condiciones fisiológicas en diversas organelas subcelulares: mitocondria, peroxisoma y glioxisoma. En este sentido, la activación del ácido graso se puede realizar en diferentes sitios subcelulares, según sea la finalidad de la β-oxidación. Por lo tanto, la enzima Acil-SCoA sintetasa puede estar localizada: •

en membrana externa mitocondrial, para degradar el ácido graso en mitocondria con la finalidad de producir energía.

•

en membrana de glioxisoma, para degradar el ácido graso en glioxisoma, cuando la finalidad es emplear sus carbonos en la síntesis de otras biomoléculas, tales como glúcidos, aminoácidos, etc. Esta situación ocurre en el reino vegetal exclusivamente durante la etapa de germinación de semillas ricas en lípidos; y NO es posible en el reino animal, donde no se encuentran dichas organelas.

Las situaciones que analizaremos en esta oportunidad es la degradación de ácidos grasos en mitocondria y en glioxisoma. Es importante tener en cuenta, que la organela glioxisoma, y por lo tanto los metabolismos que ocurren en ella, esta presente exclusivamente durante la germinación de semillas, particularmente de oleaginosas. Degradación de ácidos grasos en mitocondria. Producción de energía. Como ya sabemos, la mitocondria es una organela en la que una de sus principales funciones es realizar la combustión de las moléculas para generar energía: ATP. En los seres humanos y los animales, la utilización de los ácidos grasos como fuente de energía se realiza, en casi todos los tejidos, con excepción de cerebro, mediante la β-oxidación en la matriz mitocondrial de la célula. Se sabe que en condiciones normales, alrededor del 50% de la energía que necesitan para su funcionamiento el corazón, hígado, riñones y músculos, proviene de la degradación de los triacilglicéridos de la grasa corporal. Mientras que en el caso del reino vegetal la βoxidación en mitocondria no es tan importante, siendo que su principal fuente de energía proviene de la fotosíntesis. Previo a que se pueda llevar a cabo el proceso de β-oxidación del ácido graso en mitocondria deben ocurrir dos etapas preparatorias: a) Activación del ácido graso, ya explicada arriba. b) Transporte del ácido graso activado desde el citosol al interior de la mitocondria 80

Transporte del acil-scoa desde el citosol a la matriz mitocondrial En el caso que la degradación del ácido graso ocurra en matriz mitocondrial, la enzima responsable de su activación, la Acil-SCoA sintetasa, esta presente en la cara citosólica de la membrana externa de la mitocondria, por lo que el ácido graso una vez activado debe ser transportado al interior de la mitocondria para que sea posible su posterior degradación para producir energía. Es decir que el acil-SCoA debe atravesar las dos membranas mitocondriales (la membrana externa y la interna). La membrana externa de la mitocondria es permeable a las moléculas de CoASH y acil-SCoA, por lo que permite su paso desde el citosol al espacio intermembrana (espacio entre la membrana externa y la interna). Sin embargo, la alta selectividad de la membrana interna de la mitocondria no permite el pasaje de los acil-SCoA de cadena larga, como tampoco de la CoASH. La posible explicación para el caso de los acil-SCoA y de la CoASH podría ser el tamaño y la carga que posee la molécula de CoASH, además del hecho de que dicha membrana no posee una molécula transportadora para ellas. Es de notar, por lo tanto, que el “pool” citoplasmático es diferente e independiente del mitocondrial. Sin embargo, existe una manera de facilitar el pasaje de los ácidos grasos al interior de la mitocondria, y es aprovechar el transportador que posee la membrana interna de una molécula pequeña: la L-carnitina. Para ello el grupo acilo se debe transferir, desde el grupo sulfhidrilo de la CoASH, al grupo hidroxilo de la Carnitina, es decir los acil-SCoA son convertidos en acil-OCarnitina. Esto se realiza por medio de una enzima: Carnitina Acil Transferasa I (CAT I) (Fig. 5-7), la cual se encuentra en la membrana interna de la mitocondria, expuesta hacia el espacio intermembrana mitocondrial. Por lo tanto, esta reacción se realiza en el espacio intermembrana, espacio que hay entre la membrana interna y la externa de la mitocondria.

Fig. 5-7 Reacción catalizada por la CAT I Una proteína integral de membrana interna de la mitocondria llamada Acil Carnitina/Carnitina Translocasa (Translocasa AC/C), es la proteína contra transportadora que proporciona el canal por donde puede pasar la acil-OCarnitina en intercambio con Carnitina. Una vez en la matriz mitocondrial, la acil-OCarnitina es convertida nuevamente en acil-SCoA por otra enzima: Carnitina Acil Transferasa II (CAT II). Esta enzima también pertenece a la membrana interna de la mitocondria, pero se encuentra expuesta hacia la matriz mitocondrial La Carnitina regresa al espacio intermembrana con ayuda de la Translocasa AC/C, estando nuevamente disponible para permitir el transporte de otro ácido graso a través de la membrana interna de la mitocondria (Fig. 5-8). 81

Finalmente, una vez que los ácidos grasos activados, como acil-SCoA se encuentran en la matriz mitocondrial, puede comenzar el proceso de su degradación, por la vía de la β-oxidación.

Fig. 5-8 Esquema de la transferencia de Acil-SCoA desde el espacio intermembrana a la matriz mitocondrial

Mecanismo de la β-oxidación de ácidos grasos El descubrimiento de la vía general de degradación de los ácidos grasos se debe al bioquímico Franz Knoop. El hecho de que la mayoría de los ácidos grasos naturales poseen número par de carbonos llevó al investigador a suponer que los ácidos grasos se sintetizan y degradan, en el organismo, por adición y sustracción respectivamente, de unidades de dos carbonos. En 1904, dicho investigador, realizó un experimento alimentando a perros con un grupo de ácidos grasos, que habían sido “marcados” en el átomo de carbono ω, del extremo metilo terminal, mediante la unión de un grupo fenilo. Recogiendo luego la orina para determinar el destino final del grupo fenilo, encontró derivados del ácido fenilacético. De estos ingeniosos experimentos, el investigador concluyó que los ácidos grasos se degradan a partir del extremo carboxilo por oxidación en el carbono β , con la consiguiente eliminación secuencial de unidades de dos carbonos por vez, por lo que denominó al proceso: β-oxidación. Estos experimentos fueron los primeros en utilizar un marcador sintético para interpretar las reacciones involucradas en el metabolismo. El empleo de deuterio y los radioisótopos se incorporaron a la bioquímica varias décadas después. En 1949, Albert Lehninger y Eugene Kennedy demostraron que las enzimas de la β- oxidación de los ácidos grasos se encontraban en la mitocondria junto con otras enzimas del metabolismo aeróbico, y además que se necesitaba ATP para “activar” los ácidos grasos lo cual debe ocurrir antes de su entrada a la matriz mitocondrial. Posteriormente, Feodor Lynen y Paul Berg descubrieron los detalles de la etapa de activación de los ácidos grasos, ya que como veremos tanto los ácidos grasos como todos sus intermediarios metabólicos son procesados como tioésteres de la coenzima A y no como ácidos libres. Generalidades La vía de degradación de los ácidos grasos, cuantitativamente más importante, es la β-oxidación de ácidos grasos. Es la vía metabólica por la cual los ácidos grasos sufren la eliminación oxidativa de unidades sucesivas de dos carbonos, en forma de Acetil-SCoA, a partir del extremo carboxilo de la cadena de ácido graso. 82

Reacciones de la β -oxidación de ácido graso La β -oxidación consiste en la degradación de los ácidos grasos por medio de oxidaciones en el carbono β del ácido graso (de allí el nombre de β-oxidación), obteniéndose como principal producto acetil-SCoA, también conocido como “acetato activado”, molécula compuesta de dos carbonos (acetato) unido a la coenzima A. Básicamente se trata de una secuencia de cuatro reacciones para eliminar una unidad de dos carbonos (acetato), como Acetil-SCoA, desde el extremo carboxilo terminal del ácido graso. De una manera general consiste de las siguientes cuatro reaccionesv (Fig 5-9): 1) Oxidación o dehidrogenación en el carbono β de un simple enlace C-C formando un doble enlace C=C, empleando como coenzima FAD 2) Hidratación, adición de agua al doble enlace formando un grupo hidroxilo en el carbono β 3) Oxidación o dehidrogenación del grupo hidroxilo en el carbono β formándose un grupo ceto, empleado la coenzima NAD+ 4) Ruptura, empleando Coenzima A, del enlace C-C con liberación de un Acetil-SCoA y producción de un ácido graso con dos átomos de carbono menos.

Fig. 5-9 Esquema de degradación completa de Palmitil-CoA (Acil oxidación.

(16)-SCoA

) por β-

Los productos finales de la β-oxidación completa de un ácido graso son: AcetilSCoA, FADH2 y NADH. De manera genérica, un Acil(n)-SCoA, luego de esta secuencia de cuatro reacciones, resulta acortado en dos carbonos, Acil(n-2)-SCoA; y además ya se encuentra activado, es decir unido a la Coenzima A y ya dentro de la mitocondria y por lo tanto listo para continuar su degradación (sin necesidad de salir al citosol para 83

activarse). Se ha completado una vuelta de la β-oxidación. Esta secuencia de cuatro reacciones se repite hasta que el ácido graso sea completamente degradado a AcetilSCoA. Es de hacer notar que en la última vuelta de la β-oxidación se liberan 2 moléculas de Acetil-CoA. Rendimiento energético de la β -oxidación completa del Ácido Graso. Balance de masa y energía. Si queremos calcular la cantidad de moléculas de Acetil-SCoA liberadas se lo puede hacer empleando la siguiente formula:

Acetil-SCoA liberadas = número de átomos de carbono del ácido graso / 2.

Ahora bien, si nos interesa saber el número de veces que se deben repetir las cuatro reacciones, es decir el número de vueltas de β-oxidación necesarias para degradar completamente el ácido graso, se debe tener presente que el Acil-SCoA que ingresa en la última vuelta posee 4 carbonos, por lo tanto al concluir esta última vuelta de βoxidación, como ya hemos dicho, en lugar de liberarse una molécula de Acetil-SCoA se liberan dos Acetil-SCoA; concluyendo así en esta última vuelta la degradación completa del ácido graso por la vía de la β-oxidación (no siendo por tanto necesario realizar otra vuelta para liberar esa segunda molécula de Acetil-SCoA). Por lo tanto al realizar el cálculo del número de vueltas de β-oxidación necesarias para degradar completamente un ácido graso, se debe descontar esta vuelta que no se realiza. El cálculo del número de vueltas de β -oxidación, para la degradación completa de un ácido graso, se realiza aplicando la siguiente fórmula: Número de vueltas de β-oxidación = (Número de carbonos de ácido graso / 2) – 1 O dicho de otra manera, la cantidad total de moléculas de Acetil-SCoA producidas menos 1. En cada vuelta de β-oxidación participan como coenzimas oxidadas una molécula de FAD y una molécula de NAD+, por lo que la cantidad de coenzimas (tanto FAD como NAD+) que se consumen en las reacciones de oxidación resultan ser igual al número de vueltas realizadas. A modo de ejemplo, consideremos la β-oxidación del ácido palmítico, que posee 16 átomos de carbono, su completa degradación por β-oxidación se realizaría en: (16/2) – 1 = 7 vueltas de β-oxidación; dando como productos: 16/2 = 8 Acetil CoA; 7 moléculas de FADH2 y 7 moléculas de NADH. En este punto se plantean algunos interrogantes, tales como: •

Dónde está la producción de ATP que dijimos se produciría por la β- oxidación del ácido graso dentro de la mitocondria?, ya que lo que se observa en la ecuación es por el contrario el gasto equivalente a dos ATP.

•

Cómo recuperamos las coenzimas oxidadas NAD+ y FAD necesarias para la continuidad del proceso oxidativo?, ya que sabemos que la cantidad de coenzimas es limitada.

•

Cómo recuperamos las Coenzima A?

•

La respuesta está en que, en la membrana interna de la mitocondria se encuentra la cadena respiratoria, la cual permite el pasaje de los electrones de las coenzimas reducidas NADH y FADH2 al oxígeno, recuperando de esta manera las coenzimas 84

NAD+ y FAD, en su estado oxidado. Por otro lado, acoplado a la cadena respiratoria y también ubicada en la membrana interna, se produce la fosforilación oxidativa de ADP con Pi, generando ATP. Cada FADH2 que se oxida de esta manera equivale a la síntesis de 1,5 ATP; y cada NADH a 2,5 ATP. Ahora podemos calcular la producción de ATP que resulta de la β-oxidación del palmitoil-SCoA, del siguiente modo: 7 moléculas de FADH2 x 1,5 ATP = 10,5 ATP 7 moléculas de NADH x 2,5 ATP =17,5 ATP Resultando que se producen 28 ATP por degradación completa del palmitoil-SCoA Si lo que queremos es calcular el rendimiento energético de la β-oxidación del ácido palmítico, debemos restar el gasto de ATP que se necesita para la reacción de activación del ácido graso. Recordemos que cuando el ATP se hidroliza a AMP dijimos que esto equivale al gasto de 2 ATP.

Balance energético en la degradación completa de ácido palmítico por β-oxidación : 28 ATP – 2 ATP = 26 ATP. Por otro lado, las moléculas de Acetil-SCoA, provenientes de la degradación de ácidos grasos ocurrida en mitocondria, pueden tener dos posibles aprovechamientos metabólicos con fines energéticos: a) ingresar al ciclo de Krebs, metabolismo que se estudiara más adelante, permitiendo así la oxidación completa de los carbonos del ácido graso. b) emplearse para sintezar los denominados “cuerpos cetónicos”: acetoacetato, β-hidroxibutirato y acetona. Compuestos energético exportados desde el hígado para ser utilizados por la mayoría de los tejidos extrahepáticos particularmente corazón y tejido muscular, como fuente de energía Es de notar que ambos metabolismos permiten la recuperación de moléculas de Coenzima A, dentro de la mitocondria, a fin de garantizar la continuación de la βoxidación.

β-oxidación de ácidos grasos en glioxisomas. semilla en germinación La conversión de grasas en azúcar fue demostrada por primera vez en semillas de ricino por Yamada en 1955, y actualmente es un proceso demostrado en gran cantidad de semillas oleaginosas. Los glioxisomas, son organelas muy particulares que se han aislado de células de tejidos de almacenaje, por ejemplo cotiledones de semillas de maní, castor, ricino. Es decir, que se encuentran presentes durante la germinación de las semillas, y particularmente en aquellas ricas en lípidos. Cuando una semilla germina es esencial que las reservas almacenadas se degraden para proveer los nutrientes necesarios para el desarrollo del embrión. Cuando los ácidos grasos (almacenados como triacilglicéridos) son la principal o única fuente de carbonos disponible en la semilla, se torna imprescindible la posibilidad de su aprovechamiento para la biosíntesis de todas las biomoléculas, tales como glucosa, sacarosa, etc. necesarias para que la plántula pueda crecer. Como ya vimos anteriormente, la energía la obtienen de degradar sus ácidos grasos en mitocondria. 85

Hay que resaltar que los glioxisomas NO se encuentran presentes en el reino animal. Por lo que la importancia del glioxisoma, reside en que particularmente durante la germinación de semillas de oleaginosas, es grande la cantidad de ácidos grasos movilizados desde sus reservas lipídicas (triacilglicéridos) los cuales son degradados por β-oxidación en el interior de los glioxisomas. Estas organelas especializadas posee tanto la enzima encargada de activar el ácido graso, acil-SCoA sintetasa, como las enzimas encargadas de degradarlo, por el mecanismo de la β-oxidación, hasta Acetil-SCoA. Además, en el interior del glioxisoma se encuentran las enzimas del ciclo del glioxilato. Dicho ciclo, que se estudiara mas adelante, permite que a partir de dos moléculas de Acetil-SCoA, provenientes de la β-oxidación del ácido graso en el interior del glioxisoma, sintetizar una molécula de cuatro carbonos: Succinato que finalmente se podrá convertir en otras biomoléculas necesarias para el desarrollo del embrión. Tener nuevamente muy presente que esta situación NO puede ocurrir en animales, los cuales NO poseen glioxisomas y por lo tanto las enzimas que permitirían realizar estos metabolismos. El proceso de la β-oxidación de ácidos grasos en glioxisoma es similar al descrito en mitocondria difiriendo tan solo en algunos aspectos que se comentan a continuación: 1) Uno de ellos es a nivel del transporte de los ácidos grasos al interior de estas organelas. El glioxisoma posee una sola membrana y a diferencia de la membrana interna de la mitocondria, no presentan barrera de permeabilidad a la Coenzima A ni al acil-SCoA. Por lo tanto no es necesario convertir los ácidos grasos en derivados de carnitina para su transporte al interior del glioxisoma para su posterior oxidación. La actividad acil-SCoA sintetasa se encuentra en la membrana del glioxisoma y una vez activado el ácido graso entra directamente a la organela sin necesidad de una molécula transportadora. 2) Otra diferencia es que la primera reacción de la β-oxidación, que introduce el doble enlace, el glioxisomas es catalizada por la enzima Acil-SCoA oxidasa (una flavoenzima) la cual emplea como coenzima oxidada FAD, la cual se reduce a FADH2. Con el objeto de poder continuar la β-oxidación del ácido graso, el FADH2 se debe reoxidar a FAD. El glioxisoma no posee los metabolismos de la cadena respiratoria (capaz reoxidar FAD) ni de la fosforilación oxidativa (sintetizar ATP). Por lo que, en glioxisoma la reoxidación del FADH2 ocurre con la participación directa del oxígeno molecular dando como productos FAD y peróxido de hidrógeno. El peróxido de hidrógeno formado, el cual es tóxico para la célula, es degradado inmediatamente por acción de una catalasa a oxígeno y agua. Reacción

neta:

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El resto de las reacciones parecen ser las mismas que ocurren en mitocondria, aunque con algunas diferencias estructurales y funcionales (isoenzimas) entre las enzimas de las diferentes organelas. 3) La otra diferencia ocurre en la tercera reacción de oxidación. Esta reacción es catalizada, al igual que en mitocondria, por la enzima L-3-hidroxiAcil-SCoA dehidrogenasa usando como coenzima oxidada NAD+ la cual se reduce a NADH. Para la recuperación de NAD+ y así pueda continuar la β-oxidación del ácido graso, debido a que en glioxisoma no hay cadena respiratoria, una posibilidad es que el NADH sea transportado al citosol en intercambio con NAD+. Se han postulado otros mecanismos pero no es de interés tratarlos en esta oportunidad. En resumen, la finalidad de la β-oxidación de ácidos grasos dentro de los glioxisomas es la producción de esqueletos carbonados para la biosíntesis de otras biomoléculas tales como glúcidos, aminoácidos, ácidos nucleicos. Por lo cual, durante la germinación de semillas oleaginosas hay una gran movilización de ácidos grasos desde las reservas lipídicas, triacilglicéridos, para ser metabolizados por β-oxidación en glioxisomas. Esto es posible ya que los glioxisomas son organelas subcelulares especializadas, presente durante la germinación de semillas oleaginosas, que contiene tanto las enzimas de la β-oxidación de ácidos grasos, como las del Ciclo del Glioxilato. Este Ciclo permite convertir los Acetil-SCoA, provenientes de la β-oxidación de ácidos grasos ocurrida dentro del glioxisoma, en Succinato. Posteriormente a partir de Succinato se pueden sintetizar otras biomoléculas, por ejemplo hidratos de carbono como sacarosa, aminoácidos, etc.

Anabolismo o biosíntesis de ácidos grasos En el metabolismo de ácidos grasos son muy claras las diferencias entre la degradación y la biosíntesis, tanto por las enzimas que participan como por la localización subcelular de los procesos. La biosíntesis de ácidos grasos ocurre en todos los organismos. En animales, se realiza en citoplasma y fundamentalmente de células de hígado, tejido adiposo y glándula mamaria. La contribución relativa en cada uno de ellos difiere entre las especies. En las aves, alrededor de 90% de la síntesis de ácidos grasos se lleva a cabo en el hígado, mientras que en rumiantes lo es en el tejido adiposo. En monogástricos, tanto el hígado como el tejido adiposo contribuyen a la síntesis de ácidos grasos. Además, hay que tener en cuenta el estado fisiológico, ya que en animales en período de lactación existe una muy activa síntesis de ácidos grasos en el tejido mamario. Por ejemplo, la leche que secreta una vaca contiene alrededor de 1,25 kg. de grasa por día, de los cuales por lo menos 400 g se sintetizan en el tejido mamario. El tejido adiposo es el sitio de almacenamiento como triacilglicéridos. En vegetales, la mayoría de los tejidos sintetizan en cloroplasto sus propios ácidos grasos, principalmente para satisfacer los requerimientos lipídicos de la membrana, y en los plástidos de las semillas particularmente las ricas en lípidos como lino, maní, soja en donde además se almacena como reserva. Desde un punto de vista agronómico el más importante tejido de la planta involucrado en la síntesis de lípidos es la semilla. En las semillas de plantas oleaginosas se producen grandes cantidades de triacilglicéridos, los que son posteriormente movilizados durante la germinación de la semilla. Se ha desarrollado una gran industria tanto en la agricultura como en la alimentación con respecto a extracción y utilización de lípidos presentes en semillas oleaginosas. Los recientes avances en biotecnología, fundamentalmente en ingeniería genética, permiten la manipulación de la composición 87

de ácidos grasos de los triacilglicéridos en semillas, tanto para uso nutricional como industrial. La biosíntesis de ácidos grasos, como veremos, no es la simple reversión de las reacciones de su degradación por el mecanismo de la β-oxidación. Ya sabemos que este es un principio general del metabolismo, vimos por ejemplo que la gluconeogénesis no es la simple inversión de las reacciones de la glucólisis. Biosíntesis “de novo” de ácido graso. Se denomina así ya que consiste en la síntesis completa “original” de un ácido graso, es decir que todos sus carbonos, desde el inicio, son aportados por acetil-SCoA, los cuales provienen fundamentalmente de la degradación de hidratos de carbono. Por lo que no se trata del simple alargamiento de un ácido graso precursor. El producto sintetizado es fundamentalmente ácido palmítico, ácido graso saturado de 16 átomos de carbono y en el proceso participa un sistema multienzimático denominado ácido graso sintetasa o sintasa (AGS).

Se analiza a continuación el caso en animales. La síntesis “de novo” de ácidos grasos ocurre en el citosol a partir de acetilSCoA. Hemos estudiado que el Acetil-SCoA puede ser generado en mitocondria a partir: de la decarboxilación de piruvato proveniente de glucólisis; de la degradación de ciertos aminoácidos; y de la β-oxidación de ácidos grasos. De todos estos posibles orígenes de acetil-SCoA, la glucosa es la principal fuente de acetil-SCoA para la síntesis “de novo” de ácido graso, particularmente en monogástricos. Tal es así que cuando existe abundancia energética, el exceso de carbohidratos que no se pueden almacenar como glucógeno, se dirige hacia el almacenamiento como lípidos. La eficiencia de la conversión de carbohidratos en lípidos constituye un problema para muchos humanos!!!. Sin embargo, debido a que la membrana interna de la mitocondria no es permeable a la Coenzima A ni a sus derivados, las moléculas de acetil-SCoA producidas en la matriz mitocondrial no puede estar disponible de manera directa en el citosol para la síntesis de ácido graso. Por lo tanto se debe emplear un mecanismo de transporte “indirecto” para exportar los acetil-SCoA al citosol. A continuación analizaremos esta etapa previa a la biosíntesis “de novo” de ácidos grasos. Transporte de acetil-SCoA desde la matriz mitocondrial al citosol: Mecanismo del citrato. El mecanismo “indirecto” que se emplea para la transferencia de moléculas de acetil-SCoA desde mitocondria al citosol es el “mecanismo del citrato”. Sabemos que cuando en la mitocondria hay suficiente provisión de oxalacetato para condensar acetil-SCoA se produce citrato liberándose la Coenzima A, en una reacción catalizada por la enzima mitocondrial citrato sintasa. Hemos visto que cuando la célula requiere energía, el citrato es oxidado en mitocondria mediante el metabolismo del ciclo de Krebs. Sin embargo, una vez que la célula ha satisfecho sus necesidades energéticas la alta concentración de ATP inhibe la oxidación de las moléculas de citrato vía ciclo de Krebs. Por lo tanto el citrato se empieza a acumular en la matriz mitocondrial. El acumulo de citrato en mitocondria provoca que este sea transferido al citosol a través de una proteína transportadora específica. Una vez en el citosol el citrato es escindido, por la enzima citrato liasa, con Coenzima A y el gasto de un ATP dando oxalacetato y Acetil-SCoA. De esta manera el citrato transporta acetilos a través de la membrana interna mitocondrial.

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Este Acetil-SCoA, ahora presente en citosol, está disponible para la biosíntesis de ácidos grasos. Por otro lado, el oxalacetato debe ser reciclado a la mitocondria lo cual puede realizarse por vía del piruvato. La vía del piruvato consiste en una serie de reacciones con la finalidad: •

Aportar las coenzimas reducidas, NADPH, las cuales son necesarias para la biosíntesis “de novo” de ácidos grasos. En este sentido la vía del piruvato requiere de la acción de dos enzimas presentes en citosol: la malato dehidrogenasa NAD dependiente, que emplea NADH y la cual convierte al oxalacetato en malato; y la enzima málica (malato dehidrogenasa NADP dependiente) la cual cataliza la decarboxilación oxidativa del malato, empleado como coenzima NADP, para producir piruvato y NADPH. Estas dos últimas reacciones son: una reacción de reducción seguida por una de oxidación, por lo que no hay una oxidación neta, sin embargo ocurre una “sustitución” de NADH por NADPH. La coenzima NADPH es imprescindible para aportar el poder reductor necesario para la síntesis de ácidos grasos.

•

Para recuperar el oxalacetato mitocondrial consumido en el transporte del acetilSCoA al citosol vía citrato. Para ello el piruvato es transportado a la matriz mitocondrial para sintetizar, mediante la enzima piruvato carboxilasa y con gasto de ATP, oxalacetato el cual queda disponible para repetir el ciclo de transporte de acetilSCoA a citosol vía citrato.

Por lo tanto, el efecto neto de este ciclo de reacciones es transportar acetil-SCoA desde la matriz mitocondrial al citosol y generar las coenzimas reducidas, NADPH, para permitir la síntesis de ácidos grasos.

Fig. 5-10 Mecanismo del citrato

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Biosíntesis “de novo” de ácidos grasos. Ácido Graso Sintetasa o Sintasa (AGS). La biosíntesis “de novo” de ácidos grasos se realiza mediante una enzima compleja llamada Ácido Graso Sintetasa o Sintasa (AGS). Veremos dos tipos de AGS, Tipo I y Tipo II, que están involucradas en la misma. En ambos tipos las proteínas que participan en la síntesis del ácido graso se encuentran asociadas, permitiendo que la síntesis se efectúe de una manera más ordenada y eficiente que si las enzimas se encontraran aisladas. La principal característica que las distinguen es la organización funcional de sus proteínas constituyentes. •

La enzima AGS funciona como un complejo multienzimático, es decir está constituída por las diferentes enzimas individuales y una proteína transportadora de acilos (PTA). Todas ellas unidas por interacciones no covalentes (Fig. 5-11).

Fig. 5-11 Complejo enzimático AGS La formación de un complejo multienzimático consiste en la agregación de varias enzimas dentro de un complejo supramacromolecular lo cual ofrece a éste la capacidad de realizar una función complicada en un espacio relativamente pequeño (compartamentalizado) y de una manera ordenada, ya que las enzimas están ubicadas en el orden en que van a ir actuando. Proteína Transportadora de Acilo (PTA) Una característica en la síntesis “de novo” de ácidos grasos es que desde que se inicia su síntesis con acetil-SCoA, por medio de la enzima Ácido Graso Sintetasa (AGS), hasta que finaliza dando como producto ácido palmítico los intermediarios del ácido graso en crecimiento NO abandonan la enzima. Esto ocurre ya que los intermediarios están unidos a la Proteína Transportadora de Acilo (PTA), también conocida con su sigla inglesa ACP (Acyl Carrier Protein) la cual forma parte integrante de la AGS. La PTA posee 77 aminoácidos y su parte funcional es una molécula de 4’fosfopantoteína unida a un residuo serina ubicado en la posición 36 de la proteína. La fosfopantoteína, que es idéntica a la presente en la Coenzima A, tiene un grupo SH terminal al que se unen los acil intermediarios por medio de un enlace tio-ester. Las ventajas que ofrece la flexibilidad y la longitud de la fosfopanteteína para el funcionamiento del sistema enzimático AGS son claras: La PTA actúa como un brazo largo y flexible, en cuyo extremo está unido el sustrato, permiténdole alcanzar cada uno de los sitios activos. Esto aumenta la eficiencia del proceso puesto que los intermediarios se transfieren de manera ordenada directamente desde un sitio activo al siguiente. Además, los sustratos reaccionantes no se diluyen en el citosol, no tienen que

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encontrarse unas con otras por difusión al azar y los intermediarios al permanecer unidos covalentemente quedan protegidos de posibles reacciones competitivas.

Es de hacer notar que lo que determina el destino de las moléculas de acetilSCoA y malonil-SCoA hacia la síntesis “de novo” de ácido graso es su transferencia a la PTA como veremos a continuación.

Reacciones de síntesis “de novo” de ácidos grasos Activación de las moléculas de acetil-SCoA: Producción de malonil-SCoA La biosíntesis “de novo” de ácidos grasos se realiza básicamente por adición secuencial de grupos acetilos (unidades de dos carbonos) provenientes de las moléculas de acetil-SCoA presentes en citosol, al extremo carboxilo del ácido graso en crecimiento. El producto final es el ácido palmítico, un ácido graso saturado de 16 carbonos y su síntesis comienza en el extremo del metilo terminal (w) y procede hacia el carboxilato. Una vez en el citosol, es necesario proveer a las moléculas de acetil-SCoA de la energía necesaria para que puedan realizar la unión de dicho acetilo a la cadena en crecimiento, es decir se pueda realizar el nuevo enlace C-C. Por lo que las moléculas de acetil-SCoA se deben “activar”. El descubrimiento de Salih Wakil de que se requiere bicarbonato para la biosíntesis de ácidos grasos, fue una clave importante para la interpretación de este proceso. La “activación” de los acetilos se realiza mediante de la siguiente reacción irreversible, que constituye la primera etapa en la biosíntesis de ácidos grasos y es la etapa limitante de la misma:

El acetil-SCoA se carboxila, añadiéndose de este modo un átomo de carbono a su molécula. Este nuevo enlace, C-C, se realiza con el aporte energético del ATP, dando lugar a la formación de una molécula de 3 C denominada malonil-SCoA, el cual será un sustrato clave en la biosíntesis de ácidos grasos. La reacción es catalizada por la enzima 91

acetil-SCoA carboxilasa (ACC) que requiere para su actividad Mg +2, biotina y ATP; el grupo carboxilo (COO-) es provisto por el ión bicarbonato (HCO3-) el cual es esencial en la biosíntesis de ácidos grasos y sin su presencia la misma no se puede realizar. El objetivo de almacenar la energía del ATP en el enlace C-C, mediante la carboxilación del acetil-SCoA a malonil-SCoA, hará posible el crecimiento de la cadena del ácido graso. Esto será cuando en una reacción posterior el malonilo se descarboxile y de este modo la energía almacenada en el enlace C-C sea liberada y aprovechada para condensar los dos carbonos restantes del malonilo, los cuales recordemos provienen originalmente del acetil-SCoA, a la molécula aceptora. De esta manera se ira produciendo un alargamiento de la cadena de ácido graso en dos carbonos por vez, los cuales claramente son todos originalmente provistos por moléculas de acetil-SCoA. La molécula iniciadora es el acetil-SCoA, para la síntesis de ácidos grasos de número par de carbono; y el propionil-SCoA, para la síntesis de ácidos grasos de número impar de carbono. El malonil-SCoA es la molécula “activada” transportadora y dadora de acetilo con la que se producirá el crecimiento de la cadena de ácido graso, siendo por lo tanto un sustrato esencial para la síntesis de ácidos grasos al igual que el acetil-SCoA. Otra importante participación del malonil-SCoA es que inhibe la actividad de la CAT I (Carnitina Acil Transferasa I) evitando de esta manera un ciclo inútil de degradación y síntesis de ácido graso. Reacciones para la biosíntesis “de novo” del ácido palmítico por la AGS. El acetil-SCoA y el malonil-SCoA son los sustratos esenciales para la biosíntesis “de novo” de ácidos grasos y el poder reductor lo proporciona la coenzima reducida NADPH. La síntesis comienza en el extremo del metilo terminal (ω)y procede hacia el carboxilato. Para la síntesis de ácido palmítico (16 carbonos) se necesitan 8 moléculas de acetil-SCoA. El primer sustrato en ingresar a la AGS, es una molécula de acetil-SCoA, siendo por lo tanto el sustrato iniciador o cebador de la biosíntesis y aportando los dos carbonos del extremo metilo terminal (los C 15 y 16). Como acetil-SCoA ingresa por única vez, es decir ingresa una molécula de acetil-SCoA por molécula de ácido palmítico sintetizada por la AGS. El resto de las siete moléculas de acetil-SCoA, que se usan para alargar la cadena se “activan” a malonil-SCoA, con la reacción que hemos descrito arriba, e ingresan como tal y a su turno al sistema enzimático AGS. Es de hacer notar que todos los carbonos del ácido graso sintetizado derivan de moléculas de acetil-SCoA. Para preparar la síntesis del ácido graso es necesario ingresar inicialmente una molécula de acetilo- y otra de malonilo- al complejo AGS. Por lo tanto, en primer término el acetil-SCoA reacciona con el grupo sulfhidrilo de la PTA para formar acetil-PTA, liberándose la Coenzima A. Esta reacción es catalizada por la enzima acetil-transacilasa (AT), reacción 1a. El residuo acetilo no permanece unido a la PTA, ya que la PTA es requerida para ingresar a la AGS el otro sustrato: el residuo malonilo. Por lo tanto, el residuo acetilo es transferido desde la PTA al grupo sulfhidrilo de una cisteína, que forma parte del sitio activo de la Enzima Condensante (EC) o β-cetoacil PTA sintetasa, para formar acetil-Enzima Condensante. reacción 1b. Entonces, el acetil-SCoA entra a la enzima AGS mediate las reacciones 1a) y 1b). Una vez que el residuo acetilo ha sido transferido a la enzima condensante, la PTA está libre para aceptar el residuo malonilo que será transferido desde malonilSCoA. Esta reacción es catalizada por la enzima malonil transacilasa (MT), reacción 2. A partir del ingreso de ambos sustratos a la AGS, las reacciones que continúan son:

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•

CONDENSACIÓN: del enlace C-C con liberación de CO2 y producción de un intermediario acil-PTA con dos átomos de carbonos mas.

•

PRIMERA REDUCCIÓN: del grupo ceto en el carbono β, empleado la coenzima NADPH, formándose un grupo hidroxilo en el carbono β.

•

DESHIDRATACIÓN: eliminación del grupo deshidratación, formándose un doble enlace.

•

SEGUNDA REDUCCIÓN: hidrogenación de un doble enlace C=C, empleando como coenzima NADPH, para formar un simple enlace C-C.

hidroxilo

en

el

carbono

β,

por

- REACCIÓN DE CONDENSACIÓN: Cuando ambos sustratos, acetil-Enzima Condensante y malonil-PTA, se encuentran en el sitio activo de la enzima condensante, esta cataliza la REACCIÓN DE CONDENSACIÓN entre ellos produciendo el ceto intermediario: acetoacetil-PTA. Durante la reacción de condensación el malonilPTA es descarboxilado, liberándose dióxido de carbono (reacción 3). Por estudios con isótopos radioactivos se sabe que es el mismo CO2 que se unió al acetil-SCoA para formar malonil-SCoA, el que se pierde en la decarboxilación, ya que no hay incorporación neta de radioisótopo en el ácido graso cuando la preparación de tejido se incuba en presencia de [14C]-bicarbonato (H14CO3). Ya habíamos mencionado que para que haya síntesis de ácidos grasos, es imprescindible la presencia de bicarbonato en el medio. Queda claro que, el malonil-PTA es el intermediario que provee la energía para la biosíntesis de ácidos grasos, actuando como transportador y donador de las unidades de dos carbonos, derivadas del acetil-SCoA. Ya que cuando el grupo carboxilato se pierde durante la reacción de descarboxilación, la energía libre liberada suministra el empuje energético necesario para la reacción de condensación del proceso de elongación. Explicado de otra manera: En la reacción de condensación, se forma una unidad de cuatro carbonos a partir de una unidad de dos carbonos y otra de tres, liberándose CO2. Podemos preguntarnos ¿por qué no se forma la unidad de cuatro carbonos a partir de dos unidades de dos carbonos cada una? En otras palabras por qué reaccionan el acetilo (2C) y el malonilo (3C) en lugar de hacerlo dos moléculas de acetilo? La respuesta es que el equilibrio para la síntesis del acetacetilo a partir de dos moléculas de acetilo es muy desfavorable. Por el contrario si el malonilo es una de las sustancias reaccionantes, se favorece la reacción porque su descarboxilación contribuye a un decrecimiento sustancial de la energía libre. En efecto, la energía para la reacción de condensación es provista indirectamente por el ATP, ya que este no participa directamente en la reacción de condensación, lo hace al formar el malonil-SCoA, en la reacción de carboxilación del acetil-SCoA. La energía libre almacenada en el malonilSCoA en la reacción de carboxilación, se libera en la descarboxilación que acompaña a la formación del acetacetato. Aún cuando se requiere HCO3- para la síntesis de ácidos grasos, su átomo de carbono no aparece en el producto final. Es claro que todos los átomos de carbono de los ácidos grasos que contienen número par de carbonos derivan del acetil-SCoA. Posteriormente, el intermediario cetoacilo es sometido a las tres últimas reacciones que completan esta vuelta o ciclo. PRIMERA REACCIÓN DE REDUCCIÓN: El intermediario de cuatro carbonos, acetoacetil-PTA, se reduce primeramente mediante una reacción catalizada por la enzima β-cetoacil-PTA reductasa. La coenzima dadora de hidrógeno es NADPH y el producto es D-3-hidroxi-butirato (reacción 4). 93

•

REACCION DE DESHIDRATACIÓN: La siguiente etapa es la deshidratación del hidroxiacil intermediario resultando en la formación de un ∆2-trans enoil-PTA. Esta reacción es catalizada por la enzima enoil-PTA dehidratasa (reacción 5).

•

SEGUNDA REACCIÓN DE REDUCCIÓN: El intermediario insaturado es luego reducido por la adición de hidrógenos al doble enlace produciendo el intermediario saturado butiril-PTA. La coenzima dadora de hidrógeno es nuevamente NADPH. Esta reacción es catalizada por la enzima enoil-PTA reductasa (reacción 6).

Esta reacción completa el proceso por el cual la unidad original de dos carbonos, acetil-PTA, es alargada a una unidad de cuatro carbonos, butiril-CoA. Es decir se a completado una vuelta o ciclo en la AGS. La síntesis continúa, ya que el residuo butirilo es transferido desde la PTA al grupo SH- libre, en el sitio activo de la Enzima Condensante y así otro residuo malonilo es transferido desde el malonil-SCoA a la PTA. La secuencia de reacciones se repite para producir un intermediario de seis carbonos. El proceso continúa hasta que el ácido graso tiene 16 carbonos: palmitoil-PTA. Finalmente una tioesterasa reconoce este sustrato y mediante hidrólisis libera ácido palmítico, producto final de la biosíntesis “de novo” de ácido graso. El grupo SH de la PTA queda por lo tanto libre para comenzar otro ciclo de biosíntesis de ácido palmítico en la AGS. Así, el proceso de síntesis de ácido graso se detiene cuando tiene 16 carbonos. El ácido graso recientemente sintetizado se libera de la AGS por la acil-PTA-tioesterasa. Si queremos calcular la cantidad de moléculas de Acetil-SCoA que se necesitan se lo puede hacer de la siguiente forma: Nº átomos de carbono del ácido graso / 2 = Nº acetil-SCoA que se necesitan. El cálculo del número de vueltas en la AGS se realiza de la siguiente forma: Número de vueltas en la AGS = (Número de carbonos de ácido graso / 2) – 1 Ya que en la primera vuelta entran dos. Dicho de otra manera, la cantidad total de moléculas de acetil-SCoA empleadas menos 1. En cada vuelta de síntesis participan como coenzimas reducidas dos moléculas de NADPH, por lo que la cantidad de NADPH que se consumen en las reacciones de reducción resultan ser igual al número de vueltas realizadas. Por lo que la síntesis de una molécula de ácido palmítico se realizaría en: (16/2) – 1 = 7 vueltas en la AGS; consumiendo 14 moléculas de NADPH. A modo de resúmen: •

Ecuación para la síntesis de malonil-SCoA:

7 acetil-SCoA + 7 CO2 + 7 ATP → 7 malonil-SCoA + 7 ADP + 7 Pi

•

Ecuación de síntesis de ácido palmítico:

1 acetil-SCoA + 7 malonil-SCoA + 14 NADPH + 7 H+ → ácido palmítico + 7 CO2 + 14 NADP+ + 8 CoA + 6 H2O

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•

Ecuación neta de la síntesis completa del ácido palmítico:

8 acetil-SCoA + 7 ATP + 14 NADPH + 7 H+ → ácido palmítico + 14 NADP+ + 8 CoA + 6 H2O + 7 ADP + 7 Pi

Respecto al posible origen de los NADPH requeridos, diremos que en teoría al menos el 50% del NADPH requerido para la síntesis de ácidos grasos, sería aportado por la vía del piruvato, si todo el oxalacetato fuera convertido a piruvato, lo cual es probable. Sin embargo, hay evidencias experimentales que indican que entre el 40-50% de los NADPH provienen de esta vía, y que el remanente 50-60% proviene de la oxidación de glucosa por la vía de las pentosas fosfato. Esto es una clara muestra de como los metabolismos están interrelacionados.

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Biosíntesis de palmitato

(1 a)

(2)

(1 b)

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Elongación de los ácidos grasos La síntesis “de novo” de ácidos grasos produce principalmente ácido palmítico (C16:00). Sin embargo los análisis de ácidos grasos en tejidos vegetales y animales evidencia que hay gran cantidad de ácidos grasos con más de 16 átomos de carbono. Algunos de estos pueden provenir de la dieta en el caso de animales, pero se sabe que, además, tanto los tejidos vegetales y animales tienen la capacidad de alargar los ácidos grasos. Los sistemas enzimátidcos involucrados en la elongación de ácidos grasos son las conocidas como ácido graso elongasas. Puede realizarse en dos sitios en la célula: en mitocondria (por reversión de la β-oxidación) y en retículo endoplásmico. Este último es el principal sitio de elongación de ácidos grasos y los sustratos son acil-SCoA, los cuales son alargados con unidades de dos carbonos provistos por el malonil-SCoA y la coenzima de reducción que participa es NADPH. Desaturación de ácidos grasos La introducción de un doble enlace en los ácidos grasos se conoce como desaturación. En animales el proceso de desaturación está localizado en retículo endoplásmico, en vegetales en cloroplasto y en retículo endoplásmico. Es catalizado por acil CoA desaturasa específica. La actividad ∆9-desaturasa está ampliamente distribuída. Da orígen al ácido palmitoleico (16:1 n-7) a partir de palmítico; y al ácido oleico (18:1 n-9) a partir de esteárico (a). Posteriores insaturaciones son diferentes en vegetales y animales (b),

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Una característica propia de los vegetales es que poseen las enzimas capaces de insertar dobles enlaces, en los ácidos grasos, entre el doble enlace en el carbono 10 y el carbono metilo terminal. Por ello es que las plantas pueden sintetizar ácido linoleico (∆9,12 C18:2) y ácido α-linolénico (∆9,12,15 C18:3) mientras que los animales NO pueden ya que no poseen dichas enzimas, por el contrario como hemos visto, las enzimas que poseen tan solo permiten insertar dobles enlaces entre el doble enlace y extremo carboxilo terminal. Síntesis de triacilglicéridos Los triacilglicéridos son los principales lípidos de reserva. En animales, el tejido adiposo es el principal sitio de almacenamiento de los triacilglicéridos. Este tejido está ampliamente distribuido por todo el cuerpo, identificándose por su localización anatómica (ej.: subcutáneo, mesentérica y perinéfrica). En algunas plantas, particularmente las oleaginosas, los triacilglicéridos se pueden almacenar en las semillas. Tal es el caso en las semillas de girasol, maní, soja, lino y colza, en las cuales el contenido en aceite (triacilglicérido) puede ser de hasta 400500 g/kg. La principal vía de síntesis de ácidos grasos en la mayoría de los tejidos. El sustrato glicerol-3-fosfato. Los ácidos grasos se encuentran activados como acil-SCoA. Primeramente el acil-SCoA transfiere el ácido graso a la posición 1 del glicerol-3fosfato para producir 1-acilglicerol-3-fosfato. Esta reacción es catalizada por la glicerol3-fosfato acil transferasa la cual tiene preferencia por ácidos grasos saturados. La adición de ácido graso a la posición 2 es catalizada por la 1-acilglicerol-3-fosfato aciltransferasa, la cual prefiere ácidos grasos insaturados. El producto es el ácido fosfatídico, en el cual generalmente en la posición 1 tiene ácido palmítico y en la 2 ácido oleico. La enzima fosfatidato fosforilasa libera el fosfato desde la posición 3 del ácido fosfatídico para producir diacilglicerol al cual, la 1,2-diacilglicerol aciltransferasa le adiciona otro ácido graso para producir un triacilglicérido.

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