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• Santi Garcia

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Fundación H.A. Barceló – Facultad de Medicina 

Licenciatura en Nutrición Bioquímica Primer año Módulo 16 Lección 2

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Lipólisis: Degradación de triacilgliceroles y ácidos grasos Los lípidos tienen un papel indispensable en la estructura celular y en el metabolismo. Por ejemplo, los triacilgliceroles son la principal forma de almacenamiento de la energía metabólica en animales; el colesterol es un componente vital de las membranas celulares y un precursor de las hormonas esteroides y de las sales biliares; el araquidonato, un ácido graso C20 no saturado, es el precursor de las prostaglandinas, las prostaciclinas, los tromboxanos, los leucotrienos y las lipoxinas, poderosos mediadores intercelulares que controlan una variedad de procesos complejos; y los glucolípidos y los fosfolípidos complejos son el principal componente de las membranas biológicas. Al igual que la glucosa, los ácidos grasos son metabólicamente oxidados a CO2 y H2O. Dado que la mayoría de los átomos de carbono de los triacilgliceroles tienen menores estados de oxidación respecto de la glucosa, el metabolismo oxidativo de las grasas rinde casi el doble de energía que la proporcionada por un peso seco equivalente de carbohidratos o proteínas. Más aún, al ser no polares, las grasas son almacenadas en un estado anhidro, mientras que el glucógeno, la forma de almacenamiento de glucosa, es polar y en consecuencia, se almacena en una forma hidratada que contiene aproximadamente el doble de su peso seco en agua. Por consiguiente, las grasas proporcionan hasta seis veces la energía metabólica que la que suministra un peso equivalente de glucógeno hidratado. Por otro lado, el metabolismo de los ácidos grasos se asocia con la formación de cuerpos cetónicos, un combustible metabólico importante para ciertos tejidos (cerebro, músculo) durante el ayuno.

1. Movilización de los triacilgiceroles del tejido adiposo El primer paso en la recuperación de los ácidos grasos almacenados para la producción de energía es la hidrólisis de los triacilgliceroles. Esta reacción está catalizada por una serie de lipasas, dependiendo la secuencia de hidrólisis de las tres posiciones del glicerol de las especificidades de las lipasas concretas implicadas. Las lipasas del tejido adiposo son las enzimas claves para la liberación de los ácidos grasos. La lipasa que libera el primer ácido graso, la lipasa hormono sensible (LHS), está sometida a un cuidadoso contol, que es sensible a una serie de hormonas circulantes. Los ácidos grasos y el glicerol producidos por las lipasas del tejido adiposo se liberan a la sangre circulante, en donde los ácidos grasos e unen a la albúmina sérica y son trasnportados a los tejidos para sus uso. El glicerol se transporta hacia el hígado, en donde se convierte en DHAP e ingresa a la vía glucolítica o gluconeogénica. 1.1 Regulación de la LHS El control de la reacción catalizada por la LHS en el tejido adiposo es un aspecto esencial del ciclo glucosa/ácidos grasos/cuerpos cetónicos. Esta reaación es la etapa generadora del flujo en la liberación de ácidos grasos del tejido adiposo y su oxidación en otros tejidos. La LHS existe en dos formas, una fosforilada activa y otra desfosforilada inactiva. La proporción de ambas formas está controlada por las actividades de quinasas y fosfatasas. La gran cantidad de receptores para distintos estímulos, explican la sensibilidad y adaptación del tejido adiposo a las múltiples circunstancias metabólicas: Insulina. Posee actividad antilipolítica, su activación disminuye la concentración intracelular del AMP cíclico. Su sensibilidad es distinta para los diferentes territorios del tejido adiposo. Catecolaminas: Los efectos de la adrenalina y noradrenalina sobre el tejido adiposo están en relación con el tipo de receptor al que se asocian. Los receptores para adrenalina corresponden a los subtipos α y β, existiendo 3 subsubtipos de α1; 3 de α2 y 3 de β (β1, β2, β3). La acción de la noradrenalina es más intensa sobre los receptores α1 y β1 que sobre los α2 y β2; mientras que la adrenalina tiene mayor afinidad por los α2 que por los β2. La acción de la adrenalina sobre los receptores α2 tiene acción antilipolítica, mientras que sobre los β1 y β2 son lipolíticos. El efecto de las catecolaminas sobre el tejido adiposo dependerá del balance funcional entre sus receptores α y β, que puede ser modificado por la obesidad, ayuno, diabetes, hipertiroidismo, etc. La adrenalina, por intermedio de los receptores adrenérgicos β1, β2 y quizás los β3, el glucagón y la ACTH actúan incrementando los niveles de AMPc del tejido adiposo que activa en forma alostérica a la PKA la que, a su vez, aumenta los niveles de fosforilación de la LHS llevéndola a un estado activo y estimulando la hidrólisis de los triacilgliceroles. En la traslocación de esta enzima desde el citosol a la gota de lípidos interviene una proteína llamada perilipina que también participaría en la activación de esta enzima.

Por el contrario, las sustancias antilipolíticas se unen al receptor adrenérgico α2 asociado a proteína Gi, la cual se asocia con una inactivación de la adenilciclasa y consecuentemente, la disminución de AMPc. La lipólisis es estimulada por el frío, el ejercicio y la hipoglucemia a través de la activación hipotalámica del sistema simpático, cuyas terminales simpáticas liberan noradrenalina en los tejidos efectores, estimulando al receptor β. Glucocorticoides: Modifican la respuesta de otros receptores a sus hormonas efectoras, participando por este mecanismo en el metabolismo y distribución del tejido adiposo. Modulan permisivamente a los receptores β2 del tejido adiposo. En la grasa periférica estimulan la lipólisis, mientras que en la grasa central favorecen la lipogénesis. La tirotrofina (TSH) tiene acción lipolítica. Las hormonas tiroideas tienen efecto lipolítico sobre las células adiposas, aumentando la respuesta β adrenérgica a las catecolaminas. La hormona de crecimiento tiene acciones lipolíticas modificando la respuesta de otros receptores a sus hormonas específicas. En la grasa visceral de los varones aumenta la acción lipolítica de la testosterona. La hormona de crecimiento, la tirotrofina y los corticosteroides, activan a la LHS actuando como moduladores lipolíticos lentos, probablemente a través de mecanismos genéticos que involucran la síntesis de proteínas. En el tejido adiposo se encuentran receptores a andrógenos y estrógenos (aunque estos últimos en concentración fisiológicamente insuficiente). El receptor para los andrógenos es más abundante en la grasa profunda que en la superficial, explicando así alguna de las diferencias funcionales entre estos tejidos. La progesterona actuaría a través del receptor a los glucocorticoides ya que no ha sido identificado un receptor para esta hormona. La lipólisis es inhibida por la insulina, que estimula a la proteína fosfatasa y a la fosfodiesterasa, quien a su vez inactiva al AMPc. La insulina también podría inhibir a la adenilciclasa o internalizar a los receptores β adrenérgicos (provocando resistencia a la acción lipolítica de las catecolaminas). A la acción antilipolítica de la insulina se le suman la actividad α2 A de las catecolaminas, la adenosina, la prostaglandina E2, el polipéptido YY y el neuropéptido Y que se unen a receptores acoplados a Gi y tienen un efecto antilipolítico. Además, se han descrito receptores a las IGF-I y II, a la colecistoquinina, al glucagón, a la secretina y a la ACTH.

2. Utilización de los ácidos grasos para la producción de energía Los ácidos grasos que llegan a la superficie de las células son captados y utilizados para la producción de energía principalmente en las mitocondria, en un proceso que está íntimamente integrado con los procesos de producción de energía a partir de otras fuentes. Los intermediarios de alto contenido energético producidos a partir de los ácidos grasos son los mismos que los obtenidos a partir de los glúcidos, es decir, NADH y FADH2, y las etapas finales del proceso de oxidación son exactamente las mismas que para los glúcidos (metabolismo del acetil-CoA a través

del ciclo de Krebs y la producción de ATP en el sistema de transporte mitocondrial mitocondrial). 2.1 Activación de Ácidos Grasos Antes de que los ácidos grasos puedan ser oxidados, ellos deben ser "cebados" para la reacción mediante una reacción de acilación dependiente de ATP para formar el acil-CoA. Este proceso de activación está catalizado por una familia de, al menos tres acil-CoA sintetasas (también llamada tioquinasa) que difieren de acuerdo con sus especificidades por el largo de la cadena. Todas estas enzimas, que se hallan asociadas con el retículo endoplasmático o con la membrana externa mitocondrial, catalizan la reacción Ácido graso + CoA-SH + ATP ↔ acil-CoA + AMP + PPi En la célula, la reacción es empujada para completarse por la hidrólisis altamente exergónica del producto pirofosfato (PPi) catalizado por la enzima pirofosfatasa inorgánica. De este modo, como ocurre comúnmente en las vías metabólicas, una reacción que forma un enlace de "alta energía" por medio de la hidrólisis de uno de los enlaces fosfoanhídrido del ATP es empujada a completarse por la hidrólisis de su segundo enlace de este tipo. 2.1 Transporte a través de la membrana mitocondrial A pesar de que los ácidos grasos son activados para su oxidación en el citosol, ellos son oxidados en la mitocondrial, para lo cual, los acil grasos-CoA son transportados a través de la membrana interna mitocondrial. Un acil graso-CoA de cadena larga no puede cruzar directamente la membrana interna mitocondrial. En cambio, su porción acilo es transferida a la carnitina, un compuesto que aparece en plantas y tejidos animales. Las carnitina aciltransferasas I y II, que pueden transferir una variedad de grupos acilos, se ubican en la superficie externa e interna de la membrana interna mitocondrial, respectivamente. El proceso de translocación es mediado por una proteína transportadora específica que transporta la acil-carnitina dentro de la mitocondria mientras que transporta a la carnitina libre en la dirección opuesta: 1. El grupo acilo de un acil-CoA citosólico es transferido a la carnitina por la CAT-I, liberando por consiguiente la CoA-SH a la reserva citosólica. 2. La acil-carnitina resultante es transportada hacia adentro de la matriz mitocondrial por el sistema de transporte. 3. El grupo acilo es transferido a una molécula de CoA-SH de la reserva mitocondrial por la CAT-II. 4. La carnitina es devuelta al citosol.

Por consiguiente, la célula mantiene separadas las reservas de CoA-SH citosólicas y mitocondriales. La reserva mitocondrial funciona en la degradación oxidativa del piruvato y de ciertos aminoácidos así como de ácidos grasos, mientras que la reserva citosólica abastece a la biosíntesis de ácidos grasos. De modo similar, la célula mantiene separadas las reservas citosólicas y mitocondriales de ATP y NAD+. 2.3 β-oxidación Los ácidos grasos son degradados a través de la β-oxidación del acil-CoA, un proceso que ocurre a través de cuatro reacciones: 1. Formación de un enlace doble α, β trans a través de la deshidrogenación por medio de la flavoenzima acil-CoA deshidrogenasa. 2. Hidratación del enlace doble por medio de la enoil-CoA hidratasa para formar 3-hidroxiacil-CoA. 3. La deshidrogenación dependiente de NAD+ de éste β-hidroxiacil-CoA por medio de la 3-hidroxiacil-CoA deshidrogenada para formar el correspondiente βcetoacil-CoA. 4. Ruptura del enlace Cα-Cβ en una reacción de tiolisis con CoA-SH catalizada por la β-cetoacil-CoA tiolasa (también llamada solamente tiolasa) para formar acetilCoA y un nuevo acil-CoA conteniendo dos átomos de C menos que el original, que reinicia el ciclo de β-oxidación.

La mitocondria contiene cuatro acil-CoA deshidrogenasas, con especificidades para acil-CoA de cadena corta (C4 a C6), media (C6 a C10), larga (entre media y muy larga) y muy larga (C12 a C18). El FADH2 resultante de la oxidación del sustrato acil-CoA es reoxidado por la cadena de transporte de electrones con la intermediación de una serie de reacciones de transferencia de electrones. La flavoproteína de transferencia de electrones (ETF) (5) transfiere dos electrones del FADH2 a la proteína flavoferro-sulfurada ETF:ubiquinona oxidorreductasa, que a su vez transfiere dos electrones a la cadena de transporte mitocondrial a través de la reducción de la CoQ. El NADH producido se reoxida en la cadena de transporte de electrones a través del complejo I (NADH deshidrogenada)(6). (Puede revisar estos conceptos nuevamente en Transferencia de electrones y fosforilación oxidativa). 2.4 Rendimiento energético de la β-oxidación de los ácidos grasos El objetivo metabólico de la oxidación de los ácidos grasos es producir energía. Cada vuelta de β-oxidación produce un NADH, un FADH2 y un acetil-CoA. La oxidación del acetil-CoA por medio del ciclo de Krebs produce FADH2 y NADH adicionales que son reoxidados a través de la fosforilación oxidativa para formar ATP. Por lo tanto, la oxidación completa de una molécula de ácido graso es un proceso altamente exergónico, el cual rinde numerosos ATP.

Por ejemplo, la oxidación del palmitoil-CoA (quien tiene un grupo acil graso de C16) involucra siete vueltas de βoxidación, produciendo: • 7 FADH2, 7 NADH y 8 acetil-CoA. • La oxidación los 8 acetil-CoA, a su vez, producen 8 GTP, 24 NADH y 8 FADH2. • Dado que la fosforilación oxidativa de 31 moléculas de NADH produce 93 moléculas de ATP y que las 15 moléculas de FADH2 producen 30 moléculas de ATP, restando los 2 equivalentes de ATP requeridos para la formación del acil graso-CoA, la oxidación de una molécula de palmitato tiene un rendimiento neto de 129 moléculas de ATP.

2.5 Oxidación de ácidos grasos insaturados Casi todos los ácidos grasos insaturados de origen biológico contienen solamente enlaces dobles cis, los que usualmente, en su mayoría, comienzan entre C9 y C10 (∆9). Los dobles enlaces adicionales, si es que los hay, aparecen a intervalos de tres carbonos y por consiguiente nunca son conjugados. Para los ácidos grasos monoinsaturados (por ejemplo el ácido oleico): Después de la tercera vuelta de oxidación, el enoil-CoA resultante que contiene el doble enlace cis β-γ no es sustrato para la enoil-CoA hidratasa. La enoil-CoA isomerasa cataliza la conversión del doble enlace cis-∆3 a una forma más estable trans-∆2 conjugado con un éster. Tales compuestos son sustratos normales de la enoil-CoA hidratasa y por lo tanto la βoxidación puede continuar.

Para los ácidos grasos polinsaturados (por ejemplo el ácido linoleico): Uno de los dobles enlaces en el ácido linoleico se encuentra en un átomo de carbono de número impar y que el otro se encuentra en un átomo de carbono de número par. Luego de tres vueltas de βoxidación actúa la enoil-CoA isomerasa (como en el ejemplo anterior).La próxima dificultad enzimática aparece en la quinta vuelta de la β-oxidación. La presencia de un doble enlace en un átomo de carbono de número impar resulta en la formación del 2,4-dienoil-CoA, el cual es un pobre sustrato para la enoil-CoA hidratasa. Sin embargo, la enzima 2,4-dienoil-CoA reductasa dependiente de NADPH reduce el doble enlace ∆4. La reductasa de mamíferos produce trans-3-enoil-CoA, que para poder seguir a lo largo de la vía de βoxidación, debe ser primero isomerizado a trans-2-enoil-CoA por medio de la 3,2enoil-CoA isomerasa, que cataliza una reacción reversible que interconvierte dobles enlaces ∆2 y ∆3 y la β-oxidación puede continuar. 2.6 Oxidación de ácidos grasos de cadena impar La mayoría de los ácidos grasos tiene un número par de átomos de carbono y por consiguiente, son completamente convertidos en acetil-CoA. No obstante, algunas plantas y organismo marinos sintetizan ácidos grasos con un número impar de átomos de carbono. La vuelta final de la β-oxidación de estos ácidos grasos forma propionil-CoA, el cual, es convertido en succinil-CoA para ingresar en el ciclo de Krebs.

La conversión de propionil-CoA a succinil-CoA involucra tres enzimas. •

La propionil-CoA carboxilasa, una enzima tetramérica que contiene un grupo prostético de biotina.

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La metilmalonil-CoA mutasa, que cataliza la tercer reacción de conversión del propionil-CoA a succinil-CoA, es específica para la L-metilmalonil-CoA aún cuando la propionil-CoA carboxilasa sintetiza en forma estereospecífica (Dmetilmalonil-CoA. Este desvío es rectificado por la metilmalonil-CoA epimerasa que interconvierte las configuraciones D y L del metilmalonil-CoA.

La metilmalonil-CoA mutasa tiene como grupo prostético a desoxiadenosilcobalamina (una de las formas activas de la vitamina B12).

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Existen varias enzimas dependientes de cobalamina. Sin embargo, sólo dos están en los sistemas de mamíferos: (1) metilmalonil-CoA mutasa, que cataliza un reordenamiento del esqueleto de carbono y (2) metionina sintasa, una enzima que transfiere metilos que participa en la biosíntesis de metionina. El propionil-CoA también es un producto de la oxidación de los aminoácidos isoleucina, valina y metionina. 2.7 Regulación de la β-oxidación En el hígado, los ácidos grasos sintetizados en el citosol tienen dos opciones metabólicas: 1. La β-oxidación por enzimas mitocondriales. 2. La conversión en triacilgliceroles y fosfolípidos por enzimas citoplasmáticas. La vía a seguir depende de la reacción de transferencia de los acil-CoA de cadena larga a la mitocondria. Las etapas del proceso de transporte mediante el cual los grupos acilos se acarrean desde el citosol hacia la matiz mitocondrial, constituyen el paso limitante. Pero, una vez que los grupos acilo han ingresado a la mitocondria, se destino será oxidarse a acetil-CoA. La concentración de malonil-CoA, primer intermediario en la biosíntesis citosólica de ácidos grasos a partir de acetil-CoA, aumenta cuando las condiciones metabólicas son las adecuadas y favorecen el proceso de síntesis de ácidos grasos. La inhibición de la CAT-I por el malonil-CoA asegura que la β-oxidación de ácidos grasos se bloquee; mientras el hígado sintetiza ácidos grasos a partir del exceso de glucosa metabolizado.

Dos de las enzimas de la β-oxidación son también reguladas por la relación [NAD+]/[NADH], que señal si existe energía suficiente en la célula. Además, las concentraciones altas de acetil-CoA inhiben a la tiolasa.

3. β-Oxidación peroxisomal La β-oxidación de los ácidos grasos ocurre en el peroxisoma así como también en la mitocondria. La β-oxidación peroxisomal en los animales tiene como objeto acortar los ácidos grasoso de cadena muy larga (>22 átomos de C), de modo tal de facilitar su degradación por medio del sistema de β-oxidación mitocondrial. En las levaduras y las plantas, la oxidación de ácidos grasos ocurre exclusivamente en los peroxisomas y los glioxisomas (peroxisomas especializados). La vía peroxisomal produce los mismo cambios químicos sobre los ácidos grasos que la vía mitocondrial, aunque las enzimas de estos dos orgánulos son diferentes. La proteína que transporta los ácidos grasos de cadena muy larga dentro del peroxisoma, la proteína ALD (X-Adrenoleucodistrofia), no requiere carnitina. Los ácidos grasos de cadena muy larga son activados por una acil-CoA sintetasa de ácidos grasos de cadena muy larga peroxisomal para formar sus ésteres de CoA y ser oxidados directamente. La tiolasa peroxisomal tiene diferente especificidad por los largos de cadena que su contraparte mitocondrial. Es casi inactiva con los acilCoA de largo C8 o menos, de modo tal que en los peroxisomas, los ácidos grasos son oxidados en forma incompleta. A pesar de que la β-oxidación peroxisomal no depende del transporte de los grupos acilos dentro los peroxisomas como sus ésteres de carnitina, el peroxisoma contiene carnitina acil-transferasa. Por consiguiente, los acil-CoA que han sido acortados en sus cadenas por la β-oxidación peroxisomal son convertidos en sus ésteres de carnitina. Estos compuestos, en su mayor parte, difunden pasivamente fuera del peroxisoma hacia la mitocondrial donde ellos son posteriormente oxidados.

4. Vías menores de oxidación de los ácidos grasos La β-oxidación es bloqueada por un grupo alquilo presente en un Cβ de un ácido graso, y de esta manera en cualquier átomo de número impar. Uno de estos es el ácido fitánico, un ácido graso de cadena ramificada, componente común de la dieta. Este producto de la degradación metabólica de la cadena lateral de fitilo de la clorofila, está presente en los productos lácteos, grasas de rumiantes y peces, aunque sorprendentemente la clorofila en sí misma es una pobre fuente de ácido fitánico en la dieta para los humanos. La oxidación de los ácidos grasos de cadena ramificada, tal como el ácido fitánico, es facilitada por la α-oxidación. En este proceso el ácido graso es convertido a su tioéster CoA y su Cα es hidroxilado por la fitanoil-CoA hidroxilasa que contiene Fe2+. El tioéster CoA resultante experimenta una descarboxilación oxidativa para dar un nuevo ácido graso con un Cβ no sustituido. La degradación posterior de la molécula puede luego continuar vía seis ciclos de β-oxidación normal para dar tres propionil-CoA, tres acetil-CoA y un 2metilpropionil-CoA (el cual es convertido a succinil-CoA). Los ácidos grasos de cadena larga y mediana son convertidos a ácidos dicarboxílicos por medio de la ω-oxidación (oxidación del último átomo de carbono).

Este proceso, catalizado por enzimas del retículo endoplasmático, involucra la hidroxilación del átomo Cω del ácido graso por medio del citocromo P450, una monooxigenasa que utiliza NADPH y O2. Este grupo CH2-OH es luego oxidado a un grupo carboxilo, convertido a su derivado CoA en cualquiera de sus extremos y oxidado vía la β-oxidación. Esta vía es de menor importancia en la oxidación de ácidos grasos.