DEGRADACIÓN DE LÍPIDOS (VI): CUERPOS CETÓNICOS

Consideramos tres moléculas diferentes:

• Acetona: No nos sirve como precursor catabólico, la eliminamos a través de la orina o a través de la respiración.
• Acetoacetato: Se sintetiza en el hígado (a nivel de las mitocondrias).
• D-β-Hidroxibutirato: Se consume en los tejidos extrahepáticos, cuando estamos alimentados en el corazón y la corteza renal, o en ayunas, en el cerebro (actúan como sustitutos de la glucosa).

Los cuerpos cetónicos tienen uso en situaciones durante las cuales hay un aumento significativo de la concentración de acetil-CoA, que empezará a tener problemas para entrar dentro del ciclo de Krebs debido a la disminución de OAA (oxalacetato), usado para la gluconeogénesis, para formar glucosa y exportarla (evidentemente, estamos hablando a nivel del hepatocito). El acetil-CoA deberá concurrir por otra ruta, al no poder entrar en el ciclo de Krebs, y por ello pasará a formar cuerpos cetónicos (Acetona, acetoacetato y D-β-Hidroxibutirato). Estos compuestos serán exportados fuera del hepatocito, y serán utilizados como fuente de energía por el corazón, tejidos musculares, riñones, y especialmente, el cerebro (sobre todo en situación de ayuno).

Circuito de las rutas que puede seguir el acetil-CoA, en situación de bajos niveles de oxalacetato.

SÍNTESIS DE LOS CUERPOS CETÓNICOS

• Para la síntesis de los cuerpos cetónicos partimos con dos moléculas de acetil-CoA, que mediante la enzima Tiolasa (específica de acetil-CoA, y que también puede funcionar al revés), condensará las dos moléculas en un acetoacetil-CoA.
• A continuación, el acetoacetil-CoA se transformarà en HMG-CoA (el cual puede participar en la síntesis del colesterol (cuando se produce a nivel del citosol de la célula), todo mediado por la enzima β-Hidroxi-β-metilglutamil-CoA-sintetasa, y a partir de la adición de un acetil-CoA más y la pérdida de un grupo CoA.
• Después, la enzima HMG-CoA liasa catalizará la transformación del HMG-CoA en acetoacetato, desprendiéndose en el proceso una molécula de acetil-CoA.
• Llegamos a un punto de bifurcación, puesto que la molécula de acetoacetato podrá seguir dos rutas metabólicas diferentes. Por una banda podrá convertirse en acetona por descarboxilación espontanea, liberando una molécula de CO₂. Por la otra, y mediante la acción de la D-β-Hidroxibutiratodeshidrogenasa, el acetoacetato podrá convertirse en D-β-Hidroxibutirato, gastando en el proceso poder reductor (NADH+H⁺). En realidad, la proporción de NAD+/ NADH+H⁺ a nivel de la mitocondria determinará la proporción de acetoacetato/ D-β-Hidroxibutirato.

Esquema de la síntesis de los CC

DEGRADACIÓN DE LOS CUERPOS CETÓNICOS

Para degradar este tipo de moléculas, seguiremos un camino muy parecido al de su síntesis, pero a la inversa:

• Partimos con una molécula de D-β-Hidroxibutirato, que se convertirá en acetoacetato (obteniendo poder reductor, NADH+H⁺) mediado por la enzima D-β-Hidroxibutiratodeshidrogenasa de nuevo.
• El acetoacetato deberá convertirse en acetoacetil-CoA, y para ello necesitaremos una transferasa llamada β-cetoacetil-CoA-transferasa, que utilizará una molécula de succinil-CoA para obeten su grupo CoA, y la transformará en succinato (la reacción inversa de la catalizada por la succinil-CoA sintetasa, del ciclo de Krebs).
• De nuevo, y mediante la aportación de un nuevo grupo CoA, convertiremos la molécula de acetoacetil-CoA en dos moléculas de acetil-CoA, mediante la acción de la tiolasa.
• Finalmente, los acetil-CoA podrán entrar al ciclo de Krebs, y producir energía y poder reductor.
• Esta degradación solo puede llevarse a cabo a nivel de tejidos extrahepáticos, puesto que en hígado no se ha encontrado actividad transferasa, y por ese motivo no se pueden degradar cuerpos cetónicos.

Esquema de la degradación de los CC

CETOSIS DIABÉTICA

1. La cetosis diabética empieza cuando hallamos el páncreas parcialmente destruido.
2. Eso implicará una mayor concentración de glucosa en sangre y en la orina (además por razones osmóticas, también aumentará la presencia de iones como el sodio o el potasio).
3. Aumento de la lipolisis a nivel del TAB, produciendo un aumento de la presencia de FFA en sangre. Eso inducirá una falsa situación de ayuno en organismo.
4. El hígado empezará a utilizar el exceso de FFA para poder sintetizar cuerpos cetónicos.
5. Debido al carácter ácido de los cuerpos cetónicos, se producirá una acidosis metabólica.
6. Para mantener la homeostasis del organismo, y neutralizar el pH, se necesitará mayor concentración de CO₂ para que este actúe como tamponador, habrá hiperventilación.
7. Si no se trata, el paciente podrá entrar en coma y morir. Este tipo de diabetes (I) puede tener base autoinmune.

SUSTANCIAS ASIMILADAS. EL FLOEMA (II):MECANISMOS DE CARGA Y DESCARGA

CARGA SIMPLÁSTICA

• Vía plasmodesmos, a través de otras células, hasta llegar a las células de la vaina (después habrán los vasos vasculares o parénquima vascular). Finalmente, las sustancias transportadas llegarán a la célula acompañante y posteriormente a la célula cribosa, para iniciar, así, su transporte a través del floema.
• Requerimiento: Tenemos que tener conexiones con plasmodesmos (las células acompañantes tendrán que estar abiertas, y se requerirá de un gradiente de sacarosa).
• Un ejemplo de circuito simplástico puede ser el siguiente: Células del mesófilo (fuente), células de la vaina, células acompañantes (se puede producir la síntesis de galactoligosacáridos, uniendo moléculas de galactosa a la sacarosa, para formar, por ejemplo, raffinosa), y células cribosas (aquí empezará el transporte a través del floema).

Esquema de la carga simplástica.

CARGA APOPLÁSTICA

• En un punto determinado, la sacarosa saldrá a nivel del apoplasto.
• También puede deberse a que las células acompañantes no tienen plasmodesmos con las siguientes células.
• Se trata de un mecanismo de transporte activo, ya que se requerirá de una bomba de protones que mantenga la fuerza protomotriz para asegurar el simporte de sacarosa y protones (por transportadores como SUC y SUT).

Mecanismos de la carga apoplástica.

DESCARGA DEL FLOEMA

La descarga del floema puede ser, al igual que la carga, de dos tipos:

• Simplástica: En el meristemo apical del tallo y la raíz, o en hojas jóvenes. Cuando los asimilados se consumirán con rapidez, y se podrá mantener el gradiente.
• Apoplástica: La salida al apoplasto tendrá lugar cuando no exista la posibilidad de utilizar la ruta simplástica (ausencia de plasmodesmos). Generalmente, se produce cerca de la célula o tejido objetivo, los cuales siempre son de reserva (no hay conservación del gradiente).

Tipos de descarga floemática.

CUADRO COMPARATIVO ENTRE EL XILEMA Y EL FLOEMA

	Xilema	Floema
Tipo de células	Muertas, lignificadas, estructuras que pueden aguantar presiones negativas muy fuertes	Vivas y especializadas
Mecanismo de transporte	Transpiración	Gradiente de presión (fuente sumidero)
Sustancias transportadas	Agua y sales minerales (también presencia de otras sustancias típicamente floemáticas, pero en menor concentración)	Azúcares, aa, fitohormonas, enzimas, ácidos orgánicos, iones, moléculas señal, etc
pH	5,5~6	7,3~8

SUSTANCIAS ASIMILADAS. EL FLOEMA (I):CONCEPTOS GENERALES

Transporte por el Floema:

• Composición: Azúcares (sacarosa y otros oligosacáridos, como pueden ser la raffinosa, la stachiosa y la verbacosa, formados a partir de sacarosa y la adición de un, do  o tres residuos de galactosa respectivamente, o manitol en algunas plantas rosáceas, el cual es un azúcar alcohol), aminoácidos (especialmente amidas, como la asparragina o la glutamina, aunque algunas leguminosas también transportan ureidos, los cuales poseen una mejor relación carbono nitrogeno), fitohormonas, enzimas, ácidos orgánicos, iones (excepto nitrato y sulfato, aunque hay gran cantidad de potasio), moléculas señal, etc. Algunos de estos compuestos, en menor concentración, se pueden hallar en el xilema, debido a puntos de anastomosis. El pH suele ser ligeramente alcalino (7,3~8).
• Siempre, se trata de un transporte de que se origina en la Fuente (donde se produce la síntesis, como hojas y algunos tejidos de reserva), hacía el sumidero (constructivos, como SAM, el meristema apical del tallo, o RAM, el meristema apical de la raíz, y de reserva, como los frutos y algunas partes de la raíz).
• Bidireccional, de la base al ápice y al revés.
• Debe existir proximidad entre el sumidero y la fuente, o encontrarse en una parte común de la simetría y estrcutura de la planta.
• Estadio de desarrollo (las hojas jóvenes actúan como sumideros y las hojas maduras como fuente). Lo mismo pasa con muchos tejidos de reserva, especialmente en plantas bienales, que tienen un ciclo vital de dos años).
• Conexiones vasculares directas para que el transporte sea posible. Bajo ciertos estreses, y mediante procesos de anastomosis como los comentados anteriormente, se puede hacer llegar recursos a otras regiones de la planta.
• Estructura. La unidad funcional está constituida por dos tipos de células. Por una banda existen las células que constituyen elementos del tubo criboso, SE, que en realidad son células vivas, que contienen un citoplasma sin vacuolas, núcleo, ribosomas (solo tienen REL, mitocondrias modificadas, y todos los orgánulos dispuestos a la parte lateral de la célula), proteínas P (un tipo de fibra), y placas cribosas en el extremo (ponen resistencia al transporte). Se pueden taponar con callosa). Por la otra, hay las células acompañantes, CC, las cuales están conectadas mediante plasmodesmos a las células cribosas, hacen síntesis de proteínas señal, como algunos factores de transcripción que regulan el crecimiento de la planta, y también poseen sensores para poder modular el fotoperíodo (en el floema de hojas maduras).

MECANISMO QUE IMPULSA EL TRANSPORTE A TRAVÉS DEL FLOEMA

El sentido de transporte de la savia floemática siempre se dirige de mayor a menor presión, o en otras palabras, de fuente a sumidero.

1. Cuando se carga la sacarosa, se produce una disminución del potencial de solutos y del hídrico, ergo habrá una entrada de agua, y un aumento de presión, a nivel de la fuente.
2. Cuando se produce la descarga de los asimilados, hay un aumento del potencial de solutos, produciendo un aumento del potencial hídrico y una salida de agua, disminuyendo así la presión y creando el gradiente entre la fuente y el sumidero.

Esquema del transporte vascular de las plantas

SEÑALIZACIÓN GENERADA POR FOSFOLÍPIDOS Y CALCIO (III): EL CALCIO COMO MENSAJERO SOLUBLE

Cuando hablamos de movilización del calcio y de regulación, en realidad nos referimos a los mecanismos de su almacenamiento y transporte. El objetivo será conocer como transportamos ese calcio de un compartimento a otro. Los cambios de Calcio pueden ser de diferente índole y magnitud, puntuales o importantes, y se pueden transmitir.

FLUJOS CELULARES DEL CALCIO

En el citoplasma, el calcio siempre se encuentra a niveles muy bajos, del orden de 0,1μM. ¿Como podemos variar esa concentración?

• Flujo de entrada de Calcio: Encontramos una gran concentración de calcio a nivel del RE (Retículo Endoplasmático), hasta 0,4 mM, el cual está generalmente ligado a proteínas como la Calsecuestrina o la Calreticulina (cada proteína puede albergar hasta unos 50 iones de calcio). Esta unión es de carácter reversible, y se puede deshacer. Entonces, el calcio podrá abandonar el RE y llegar al citoplasma saliendo por RyR y IP₃R. El medio externo aún es más rico en calcio (alberga una concentración del orden de 1 o 2mM), y también sirve como reservorio de este. El calcio extracelular podrá entrar por canales regulados.
• Flujo de salida de Calcio: Una vez ha actuado el Calcio, y sus niveles a nivel citoplasmático se han visto incrementados, la célula deberá volver a sacarlo del citoplasma, puesto que unos niveles demasiados elevados de este ion pueden llegar a ser tóxicos y desencadenar procesos de muerte celular. Una ruta de salida será el bombeo (conta gradiente) de la proteína SERCA hacia el RE (requerirá de gasto energético). También, a través de PMCA (otra bomba de calcio que requerirá gasto energético directo), o un transportador antiporte (entran 3Na⁺ y sale Ca²⁺) podremos enviar Calcio al medio extracelular.

Flujo del Calcio celular

DETECCIÓN DEL CALCIO

Para poder detectar los niveles de Calcio, teniendo en cuenta que este se encuentra a muy poca concentración, será necesario que contemos con métodos muy sensibles:

• Fluorescencia: Usaremos un compuesto llamado Quin-2 (o también existe FURA). Se trata de un compuesto de carácter lipofílico que podrá atravesar la membrana citoplasmática. Una vez dentro de la célula, y debido a la acción de ciertas enzimas citosólicas, se verá alterada su naturaleza lipofílica (pasará a ser hidrofílica), y no podrá escapar de la célula. Además, cuando se incrementen los niveles de Calcio citoplasmático, la sonda lo detectará, produciendo un pico. La bajada de ese pico indicará el proceso contrario, la movilización del calcio citoplasmático hacía otros compartimentos o el mismo medio extracelular.
• Luminiscencia: Más moderno, se basa en una proteína llamada AEQUORINA, la cual emite luminiscencia cuando se une al Calcio. Se puede introducir a la célula mediante un vector de expresión, y además, podemos configurar a ese vector para que se exprese únicamente en un compartimiento concreto de la célula, o a muchos pero con diferentes tonalidades d color, pudiendo así describir aun mejor el mecanismo de transporte de calcio a nivel celular.

CALCIO Y RETICULO ENDOPLASMÁTICO

Existen dos transportadores/recetores que median la salida del Calcio del RE.

IP₃R:

• Canal de Calcio homotetramérico.
• Existen dos tipos diferentes, R1 y R2, con un 69%de homología.
• Un lugar de unión a IP₃ y otro al Calcio por subunidad.
• Especificidad por el ligando: I(1,4,5)P₃, los fosfatos 4 y 5 son claves para el reconocimiento.
• Unión a Calcio citoplasmático, lo cual puede modular la respuesta y acción del trasportador. Si la concentración es muy elevada, mM, perderá sensibilidad, si la concentración es pequeña, μM, la ganará.

RYR:

• Canal de Calcio homotetramérico.
• Existen 3 tipos: RyR1, RyR2, y RyR3.
• Se encuentran el en Retículo endoplasmático y en el sarcoplasmático.
• No responden a IP₃, pero si al Calcio citoplasmático.
• Pueden responder a alcaloides (de forma positiva a la cafeína, y de forma positiva o negativa a la ryanodina, origen de su nombre).
• Presentes en muchos tipos celulares, los mecanismos de su regulación varían según el tejido, aunque es muy importante la regulación del propio calcio citoplasmático (activación o inhibición dependiendo de la concentración de este).

Destacar que se han descrito dianas de fosforilación para ambos transportadores, lo que indica que la fosforilación puede servir como modulador de su actividad.

CALCIO Y EL MEDIO EXTRACELULAR

Existen varios tipos de canales de Calcio que regulan el transporte entre el citoplasma y el medio extracelular:

• Canales de Calcio regulados por el voltaje: Se abren en respuesta al potencial de acción de la membrana celular (abiertos entre -30 y +30mV, célula en reposo tendrá un PA de aproximadamente -90mV).
• Canales de Calcio regulados por el receptor: Tenemos dos tipos, los receptores/canal, como el caso del receptor de glutamato (neurotransmisor), o los receptores regulados por segundos mensajeros (ej: AMPc o GMPc) o proteínas G.
• Canales de Calcio regulados por la concentración de Calcio en el RE: Son los llamados SOCs (Store-Operated-Channel). Están regulados por la concentración del ion a nivel del RE. Parece ser que STIM, una proteína de membrana del RE, cunado disminuye la concentración de calcio a nivel del retículo, cambia la conformación e interacciona con SOCs, lo que permite la entrada de Calcio, que activará otros procesos, aunque aún no se conoce demasiado bien el mecanismo. Herramientas experimentales para estudiar su regulación: Thapsigargina, un inhibidor de SERCA, Lonomycina, ionóforo de calcio a nivel del RE, RETPEN, un agente quelador liposoluble que secuestra el calcio a nivel del RE.

Esquema de la regulación de SOC

SEÑALIZACIÓN GENERADA POR FOSFOLÍPIDOS Y CALCIO (II): FUNCIÓN Y ACTIVACIÓN DE PKC

PROTEINA QUINASA C

Caraceristicas:

• Grupo heterogéneo de Ser-Thr quinasas.
• Especificidad de sustrato amplio (pueden fosforilar muchas proteínas diferentes).
• Relacionada con muchas actividades celulares (una de ellas es la activación de la proliferación celular, por ejemplo en células musculares, donde activa la proliferación y disminuye la diferenciación)

Existen algunas isoformas de esta quinasa, que difieren según sus dominios estrcuturales, aunque todas tienen dominio pseudo-sustrato (el cual puede interaccionar con el dominio sustrato y taparlo):

• cPKC (clásicas). Presentan unión a DAG y a Calcio. Unión de tipo NLS (señal de señalización nuclear).
• nPKC (nuevas). No presentan unión a Calcio.
• aPKC (atípicas). No presentan unión a Calcio ni a DAG. Unión de tipo NLS (señal de señalización nuclear).

Dominios de las diferentes isoformas de PKC

ACTIVACIÓN DE PKC CLÁSICAS

La activación de las PKC (clásicas) sigue una série de pasos:

• Proteina inactiva (localizada en el citoplasma).
• PDK-I, una Ser-Thr quinasa, la cual se encuentra a “upstream” de muchas rutas de señalización celular (regulada por PIP₃), fosforila la nansa de activación de PKC.
• PKC, aun inactiva, se autofosforila a C terminal. El dominio catalítico reacciona con el dominio pseudo-sustrato.
• De forma paralela, las PLC activan la señalización por calcio, aumentando la concentración de este en el citosol. Unión del calcio al dominio de PKC para calcio, permitiendo un cambio conformacional que la translocará a la mebrana.
• Una vez en la mebrana, unión de PKC a DAG. Finalmente, PKC se encontrará activa y podrá fosforilar a sus moléculas diana.

Activación, de forma esquemática, de PKC

¿Cuales son los objetivos de PKC?

• Activar las vesículas de transporte.
• Activar la secreción.
• Activar el tráfico a nivel de membrana plasmática.
• Regular las interacciones membrana/citoesqueleto.
• Regulación de la transcripción (mediante el dominio NLS).
• Activar la proliferación celular (se ha visto que DAG quinasa transforma los DAG en PA, acido fosfatídico, lo cual inactiva a PKC e inhibe la proliferación celular).

SEÑALIZACIÓN GENERADA POR FOSFOLÍPIDOS Y CALCIO (I): FOSFOLIPASAS

FOSFOLIPASAS Y FOSFOLÍPIDOS RELACIONADOS CON LA ACCIÓN HORMONAL

Las fosfolipasas (PL) son enzimas que hidrolizan los fosfolípidos, pero existen diferentes tipos que actúan sobre diferentes enlaces del mismo fosfolípido, generando productos diferentes.

Dianas de las fosfolipasas a nivel del fosfolípido.

• PLA₁: No tiene demasiada importancia des del punto de vista de señalización celular.
• PLA₂: Más importante. Libera ácido Ácido araquidónico i Ácido lisofosfatídico.
• PLC: Hidroliza el enlace situado entre el grupo fosfato y el oxígeno unido al tercer carbono del fosfolípido. Tiene mucha afinidad para los PIP₂ (fosfatidilinositolbifosfato). Los productos originados por la fosfolipasa son un IP₃ (Inositol 1,4,5trifosfato) y un DAG (diacilglicerol).
• PLD: Hidroliza el enlace situado entre el fosfato y el oxígeno unido a R₃. Sus sustratos más comunes son la fosfatidilcolina o la Fosfatidiletanolamina. Después de su acción se pueden generar algunos productos, dependiendo del sustrato, como el DAG activado, si el sustrato era una molécula de fosfatidilcolina.

Sustrato y grupo polar de las diferentes hidrólisis medidas por PLC y PLD

RECAMBIO DE FOSFATIDILINOSITOL

Existe una activación vía hormonas que regula el proceso de recambio de las moléculas de fosfatidilinositol (PIP₂)., un proceso que implica la degradación y la síntesis de estas moléculas. Se descubrió mediante el estudio con P³², i se estableció que a través de las PLC se activaban esas secuencias de recambio del PIP₂. Se puede establecer un ciclo donde se produce un “turnover”, por una banda se sucede la degradación y posterior emisión de señales, y por la otra, la síntesis de novo del PIP₂. Hay que destacar el hecho que este ciclo viene regulado por acción hormonal (acetilcolina). Desembocará en una activación del calcio intracelular vía IP₃, y de la activación de PKC vía DAG.

Esquema del ciclo del recambio del fosfatidilinositol

¿Pero como se puede volver a obtener PIP₂ a nivel de la membrana plasmática? La clave en esta cuestión es entender que estás reacciones suceden en la propia membrana plasmática de la célula. El ciclo se realiza a partir de sucesivas fosforilaciones mediante la acción de quinasas diferentes. Además, el inositol se incorporará desfosforilado. El primer punto importante es aquel que involucra a la DAG quinasa, aunque después, como acabamos de comentar, se deberá realizar aún un mayor número de fosforilaciones para obtener a PIP₂.

FOSFOLIPASA ESPECÍFICAS DE PIP₂

Principalmente, esta familia de fosfolipasas está integrada por 3 especies diferentes:

• PLC-β
• PLC-ε (muy minoritaria, apenas participa en la señalización).
• PLC-γ

Dominios estructurales de las diferentes especies de PLC

Observando los dominios estructurales que presenta cada fosfolipasa podemos dedcuri su función e implicación en la señalización. Los dominios X e Y son los centros catalíticos de la fosfolipasa, C2 es el centro de unión a los fosfolípidos y al calcio, EF-Hand también permite la unión al calcio y RA (dominio que posee únicamente PLC-ε), media la unión a Rap.

¿Qué hace cada proteína?

• PLC-β parece que se activa por GPCR, mediante la interacción con las proteínas G como αq, αi y βγ.
• PLC-ε se unirá a EPAB, activando Rap-GTP.
• PLC-γ Interaccionará a través de sus dominios SH₂ con el receptor Tyr-quinasa. Será fosforilada. La fosforilación provocará un plegamiento a nivel estructural que acercará a los dos dominios catalíticos y le permitirán poder catalizar la reacción sobre PIP₂.

Nótese que hormonas diferentes mediante una señalización basada en diferentes receptores, podrá acabar desembocando a una misma respuesta celular, la movilización del calcio y la activación de PKC.

DEGRADACIÓN DE LÍPIDOS (V): OTROS TIPOS DE β-OXIDACIÓN DE FFA

OXIDACIÓN DE FFA CON CADENA IMPAR

Algunas plantas y organismos acuáticos sintetizan estos FFA (ej. Ác. Margárico, 17:0). Ellos y sus depredadores son capaces de oxidar estos FFA y de consumir el propionil-CoA que se genera (el cual no puede entrar directamente al ciclo de Krebs). Nótese que este proceso está relacionado con la glucogénesis, ya que el propionil-CoA en forma de succinil-CoA, entrará después de las descarboxilaciones del ciclo de Krebs, lo que nos permitirá aumentar el número de carbonos para la biosíntesis. La imagen de abajo nos muestra el proceso de conversión del propionil-CoA en succinil-CoA.

OXIDACIÓN DE FFA MONOINSATURADOS

Los FFA insaturados son capaces de aumentar la fluidez de la membrana plasmática y pueden llegar a ser precursores de ciertos compuestos como los eicosanoides. Usaremos como ejemplo al Ácido oleico, el cual tiene un doble enlace en cis entre C9 y C10 (18:Δ⁹):

• Realizamos la β-oxidación hasta tres veces, produciendo 3-acetil-CoAs y un Cis-Δ³-enoil-CoA.
• Esta última especie, el Cis-Δ³-enoil-CoA, no puede ser catalizado por la acil CoA deshidrogenasa (se pierde 1 FADH₂), y en su lugar, lo catalizará la enzima Enoïl-CoA isomerasa, produciendo un Trans-Δ²-enoil-CoA.
• El Trans-Δ²-enoil-CoA podrá ser metabolizado por la enoil-CoA hidratasa, continuando con la β-oxidación (5 ciclos más).

Esquema de la oxidación del oleil-CoA

OXIDACIÓN DE FFA POLIINSATURADOS

La oxidación de este tipo de compuestos es más complicada y variada. Nosotros usaremos como ejemplo al Linoleïl-CoA (Cis-Δ⁹, Cis-Δ¹²):

• Partiendo con este compuesto, el Linoleïl-CoA (Cis-Δ⁹, Cis-Δ¹²), podremos realizar la β-oxidación de FFA normal para producir hasta 3 FFA.
• Entonces, llegaremos a tener el siguiente compuesto: Cis-Δ³, Cis-Δ⁶. Como antes, deberá actuar la Enoil-CoA isomerasa, para cambiar la conformación y la posición del doble enlace más cercano al carbono anomérico (de cis-Δ³ a trans Δ²). Obtendremos, pues, un Trans-Δ², Cis-Δ⁶.
• Podremos volver a realizar otra vez la β-oxidación, pero en el caso concreto del compuesto ejemplo (el linoleil-CoA), únicamente seremos capaces de dar una vuelta y el primer paso de la siguiente vuelta, la generación de un doble enlace mediante la Acil-CoA deshidrogenasa, obteniendo al final un Trans-Δ², Cis-Δ⁴. La hidratasa no puede actuar, y deberá hacerlo una reductasa, la 2,4-diloil-CoA, que requerirá del gasto de potencial reductor (una molécula de NADPH+H⁺).
• Con la acción de la reductasa, podremos obtener un Trans-Δ³, que, ahora mediado por una vieja conocida, la enzima Enoil-CoA isomerasa, se convertirá en un Trans-Δ², molécula que podrá ser oxidada mediante la β-oxidación habitual hasta al final (aún se podrá dar 4 vueltas más).

Esquema de la oxidación del linoleïl-CoA

Β-OXIDACIÓN PEROXISOMAL

Características:

• Algunos FFA no pueden ser oxidados en la mitocondria. Por ejemplo, los FFA mayores de 20C.
• La actividad acil-CoA deshidrogenasa genera un FADH₂ que no se acoplará a la cadena respiratoria, sinó que lo hará a la catalasa, enzima abundante en el peroxisoma.
• Los peroxisomas no tienen Carnitina Acil Transferasas. Los FFA se activan en el propio peroxisoma por actividad de una tioquinasa peroxisomal.
• Las actividades Enoil-CoA hidratasa y β-hidroxiacil-CoA deshidrogenasa están unificadas en una única enzima.
• La tiolasa peroxisomal pierde actividad con los FFA de cadena más corta (14-18C).
• Los Acetil-CoAs pueden salir del peroxisoma porqué disponen de transportadores Aectil-CoA Carnitina Transferasas.

DEGRADACIÓN DE LÍPIDOS (IV): LA β-OXIDACIÓN MITOCONDRIAL

Consideraremos como ejemplo un caso general, la β-oxidación del palmitoil-CoA, (16:0):

• La primera reacción de la β-oxidación es catalizada por la enzima Acil-CoA deshidrogenasa, una enzima soluble, de la cual obtendremos una molécula de transΔ²-enoil-CoA, que contiene una insaturación entre el carbono dos y tres, en conformación trans. Además, produciremos poder reductor en forma de FADH₂, que rápidamente se irá a la cadena respiratoria, para reducir a la ubiquinona, y en total, proporcionarnos 2 ATPs (o 1,5, según la estimación que hagamos).
• A continuación, el transΔ²-enoil-CoA se convertirá en L-β-Hidroxi-acil-CoA, en una reacción mediado por la enzima Enoil-CoA hidratasa, que unirá al sustrato una molécula de agua. La Enoil-CoA hidratasa es una enzima asociada a la membrana. Además, es importante precisar que únicamente la forma L de la β-Hidroxi-acil-CoA podrá ser catalizada por la siguiente enzima de la reacción, puesto que es esteroespecífica. Además, hay que destacar que esta última reacción ha oxidado más aún a la molécula, añadiendo un oxigeno y formando un grupo hidroxilo.
• La β-hidroxiacil-CoA deshidrogenas catalizará la conversión de la molécula de L-β-Hidroxi-acil-CoA en β-cetoacil-CoA. Destacar que la enzima tiene esteroespecificidad, como hemos adelantado antes, y además, durante la reacción, se produce poder reductor, en forma de NADH+H⁺, que también servirá para obtener ATP gracias a la cadena respiratoria (3 o 2,5). A partir del producto de esta reacción también se pueden sintetizar cuerpos cetónicos, unos compuestos que se utilizan como sustratos alternativos del catabolismo con el objetivo de obtener energía en caso de no contar con suficiente glucosa para administrar a ciertos tejidos del organismo.
• Finalmente, la β-cetoacil-CoA se convertirá en una molécula de Acetil-CoA y en el FFA original menos dos carbonos. La enzima que cataliza esta reacción es una tiolasa (o Acetil-CoA acetil transferasa), y requiere de la adición de un grupo SH-CoA.

Esquema de la β-oxidación del palmitoil-CoA

ESTEQUIOMETRIA Y RENDIMIENTO ENERGÉTICO

¿Cuanto rinde una vuelta de la β-oxidación?

1 Acetil-CoA + 1 NADH+H⁺ + 1 FADH₂

El acetil es oxidado en el ciclo de Krebs y se obtienen 3 NADH+H⁺, 1 FADH₂ i 1 GTP.

En total, suman 17 ATPs

¿Cuanto rinde la β-oxidación del palmitoil-CoA?

Sabemos que es una molécula de 16 carbonos, así que haremos un total de 7 vueltas (la última reacción nos proporcionará los dos últimos acetil-CoAs a la vez) y obtendremos 8 Acetil-CoAs. En total, suman 7 NADH+H⁺, 7 FADH₂, i 8 Acetil-CoAs (3 NADH+H⁺, 1 FADH₂ i 1 GTP cada uno de ellos). Una cantidad final de 131 ATPs. No obstante, hay una pérdida de 2 electrones (debido a la activación del FFA). Por lo tanto, el balance final es de 129 aTPs.

¿Cuáles son las ventajas del metabolismo lipídico? Principalmente, existen dos razones por las cuales este tipo de catabolismo es muy eficiente:

1. Eficiencia energética: En el caso de Ácido Palmítico, ΔG0⁰’ = -9790 KJ/mol. Para la síntesis de los 129 ATP se requiere: ΔG0^0’= 3233 KJ / mol (1/3 parte de la energía producida con la oxidación del ácido palmítico). Esta es la máxima eficiencia biológica obtenida, similar a la de la glucosa, pero con mayor rendimiento (8ATPs/1C en el caso del FFA, mientras que la glucosa obtiene 6ATPs/1C, dando como resultado un 33% de eficiencia extra para el FFA)
2. Producción de agua metabólica. Se producen un total de 145 moléculas de agua durante la oxidación del ácido palmítico. Servirá como Fuente de agua para organismos marinos que hibernan u otros que habitan ambientes áridos (por ejemplo el camello, cuya grasa constituye su reservorio de agua).

DEGRADACIÓN DE LÍPIDOS (III): TRANSPORTE A LA MATRIZ MITOCONDRIAL DE LOS ACIL-COA

Los FFA, como hemos visto anteriormente, se originan principalmente a nivel del tejido adiposo blanco (TAB). Pero para cumplir con su función catabólica, deberá ser transportado a otros tejidos el organismo, como el tejido muscular o cardíaco, donde serán oxidados, o el tejido hepático, lugar donde ocurren muchos procesos metabólicos (tanto de carácter catabólico como metabólico).

Para facilitar su llegada a los tejidos objetivo, y permitir su entrada y metabolización, existen algunas proteínas que les ayudan, como los FABP, transportadores de FFA (únicamente un 30% de los FFA atraviesan la membrana plasmática a pesar de su naturaleza lipofílica), las FABPc, acompañantes citosólicas de los FFA, y finalmente los ACBP, que acompañan a los Acil-CoA, compuesto que se forma poco después de entrar el FFA en el citoplasma celular.

La β-oxidación de FFA se produce en las mitocondrias, pero requiere que los Acil-CoA sean transportados a su interior. Para ello, será necesaria la existencia de unos transportadores, llamados Carnitina Acil Transferasas, que mediarán el transporte de la grasa a la matriz mitocondrial. No obstante, el Acil-CoA deberá convertirse antes en otro compuesto, una Acil-Carnitina, para poder pasar a través de ellos. Primeramente, no obstante, hablemos acerca de la Carnitina.

La carnitina es un compuesto parecido a un aminoácido. Aunque no es un metabolito esencial, lo podemos obtener a través de la dieta (únicamente los bebés prematuros pueden tener deficiencia al no tener desarrolladas las vías biosintéticas aún). Su biosíntesis se consigue a partir de la Lisina, quién si es un aminoácido esencial, en un proceso donde participa una hidroxilasa que se expresa fundamentalmente en el hígado y el riñón. Para asegurar los niveles normales de este compuesto, se puede transportar por sangre (existe un control homeostático de los niveles de carnitina en sangre), se produce reabsorción renal (mediante un transportador llamado OCTN-2), y también se puede acumular en los tejidos musculares, llegando a concentraciones 100 veces superiores a las de otras células.

¿Como funciona el sistema de transferasas asociado a la carnitina? Primeramente, el Acil-CoA se transforma en Acil-Carnitina mediante la acción de CPTI (Carnitina Palmitoil Transferasa I), reacción que libera unn grupo HS-CoA. La Acil-Carnitina travesará la membrana mitocondrial externa, y mediante una translocasa, también superará la membrana mitocondrial interna. Una vez dentro la matriz, y mediante la CPTII (Carnitina Palmitoil Transferasa II), se transformará de nuevo a la Acil-Carnitina en Acil-CoA, liberando esta vez una molécula de Carnitina. También es importante destacar que la translocasa requiere para funcionar la salida de una molécula de carnitina libre por cada acil-Carnitina que ntra dentro la matriz mitocondrial. Además, seria necesario añadir como información extra la relevancia de la carnitina a nivel evolutivo, puesto que esta molécula está extremadamente conservada y se ha visto que hay procariotas que pueden sintetizarla.

Esquema general del transporte mediado por las Carnitina Acil Transferasas

ASIMILACIÓN DEL AZUFRE(II)

EL GLUTATIÓN

El Glutatión (GSH) es un compuesto de vital importancia, un tripéptido que desempeña una serie de funciones claves en la fisiología vegetal:

• Almacenamiento y transporte de ácidos orgánicos en la planta
• El Glutatión, junto con la tiorredoxina, son los principales reguladores redox de las enzimas vegetales
• Interviene en mecanismos de detoxificación de ROS (ej, el ciclo del Ascorbato-Glutation)

Ciclo del Ascorbato-Glutatión

• Actua en la deotoxificación de herbicidas, pesticidas, etc (Se enlaza a estos compuestos, los cuales son tóxicos para la planta), y los incorpora a la vacuola (a través de bombonas de tipo ABC)
• Se pueden sintetizar fitoquelatinas (moléculas formadas por glutamilcisteína, capaces de complejar algunos metales pesados).

PROTEÍNAS DE RESERVA

• El 70% de la demanda humana de proteínas se cubre mediante el consumo de semillas (y también de algunos tubérculos)
• Algunas semillas son fuentes deficitarias en ciertos AA críticos para los humanos y otros animales, aunque se han diseñado transgénicos para poder mejorar ese problema.
• Existen un total de 9 aminoácidos que no puede sintetizar Homo sapiens: Histidina, Isoleucina, Leucina, Lisina, Metionina, Fenilalanina, Treonina, Valina, Arginina

Tipos de proteínas de reserva, según su solubilidad en diferentes disolventes:

• Albúminas: Son solubles en agua. Ricas en azufre  (Cys, Met). Se han conseguido obtenir algunos transgénicos.
• Globulinas:  Requieren soluciones salinas para disolverse. Pobres en cisteína, metionina, lisina y triptófano (por lo tanto, presentan poco azufre).

Estos dos primeros grupos son más abundantes en planats leguminosas.

• Prolaminas: Son solubles en soluciones alcohólicas. Pobres en lisina y triptófano, aunque presentan valores de azufre normales.
• Glutelinas: Son solubles sólo en soluciones ácidas o alcalinas.

Los últimos dos grupos están más presentes en cereales.

ASIMILACIÓN DEL AZUFRE(I)

La fuente principal en plantas del azufre es el sulfato SO4-2, el cual se encuentra disuelto en la solución del suelo. No obstante, la reducción de este sulfato a nivel de raíz es muy pequeña, y este suele ser exportado a las hojas. Los principales compuestos que presentan sulfato son:

• Proteínas sulfuradas (con Cys y Met)
• Sulfolípidos
• Cofactores enzimáticos (ácido lipoico, biotina, CoA)
• Algunos azúcares sulfatados
• Otros compuestos, como el glutatión (antioxidante), Trd, Glucosinolatos (al hidrolizarse produce moléculas antitiroideas, las cuales pueden inhibir el crecimiento de los depredadores de la planta), aliina (se encuentra en el ajo fresco. Se puede transformar en un sulfóxido, actuando como factor lacrimógeno).

El sulfato no suele ser deficitario en latitudes bajas, lo es más en zonas boreales (lo cual puede hacer aumentar la cantidad de aminoácidos, como la asparagina, quien, reaccionando con algún carbono reducido, puede formar acrilamida).

La incorporación del sulfato se produce por transporte simporte, necesitando la entrada de 3 protones. Después, será transportado por el xilema hacía las hojas, donde será asimilado.

REACCIONES DE ASIMILACIÓN

Existen dos formas de asimilar el azufre:

1. Asimilación del sulfato reductora

• Primero, se deberá activar el sulfato, quién tiene un potencial redox muy estable, mediante la acción de una ATP sulfatasa C, mediante la hidrolisis de un ATP. Con ello, obtendremos APS (Adenosina 5’fosfosulfato) y un pirofosfato.

• A continuación, procederemos a reducir el APS hasta S^2-:

• Primeramente, gracias a la acción de una APS reductasa, reaccionarán una molécula de APS con dos moléculas de glutatión reducido(GSH), para producir un sulfito (SO₃^2- ) y un glutatión oxidado, que siempre adopta forma de dímero (GSSG).

• A continuación, el sulfito reaccionará con seis moléculas de ferredoxina (Fd) reducida y seis protones, todo ello catalizado por una sulfito reductasa, obteniendo finalmente S^2-, tres moléculas de agua y y Fd oxidada. Comentar que la sulfito reductasa es una enzima muy cercana a la nitrito reductasa, con afinidad para el nitrito (asimismo, la nitrito reductasa también tiene afinidad para el sulfito).

• Finalmente, una vez generado el sulfuro (S^2-), este deberá ser asimilado, mediante una molécula llamada O-Acetilserina, la cual deberá ser generada antes por la reacción de una Serina y un Acetil-CoA (reacción catalizada por SERAT, Serina acetil transferasa). Una vez sintetizada la O-Acetilserina, esta reaccionará con el sulfuro, catalizados por OASTL (O-acetilserinatioltransferasa), para producir una cisteína y una molécula de acetato.

2. Sulfatación

• Partimos de la primera reacción expuesta antes, donde conseguíamos obtener APS. A continuación, ese APS reacciona de nuevo con un ATP, todo esto mediado por la enzima APS quinasa, y generando como productos PAPS (fosfoadenosina fosfosulfato) y ADP.

• PAPS podrá actuar como donador de sulfato para transferirlo a otros compuestos, como flavonoides o polisacáridos, mediante una quinasa específica, produciendo como productos el compuesto orgánico sulfatado y PAP

DEGRADACIÓN DE LÍPIDOS (II): MOBILIZACIÓN DE LOS TAGs

LIPÓLISIS

La lipólisis de los TAGs se basa en la hidrolisis de los enlaces éster que unen el glicerol con los FFA. En primer lugar, actúa una lipasa, la lipasa ATG (esto ocurre en los adipocitos. En otros tejidos, la enzima puede ser la lipasa ácida o lipasa lisosomal), que produce como productos un DAG (diacilglicerol) y un FFA. A continuación, actúa la enzima LSH (Lipasa sensible a las hormonas), la cual hidroliza otro enlace éster, y deja como productos un MAG (monoacilglicerol) y otro FFA (tanto la lipasa ATG como LSH hidrolizan los enlaces que unen los FFA con los carbonos 1 y 3 del glicerol. El éster del carbono 2 es más difícil de romper). Finalmente, la enzima 2-MAG Hidrolasa (cuya actividad es 10 a 100 veces inferior que la de LSH) hidroliza el último enlace éster, y produce una molécula de glicerol y un FFA.

Lipólisis del TAG a DAG y MAG. Faltaria el paso final, por acción de 2-MAG Hidrolasa (en la figura), que produciria el FFA restante y una molécula de glicerol

REGULACIÓN DE LA LIPÓLISIS

El proceso descrito antes está fuertemente regulado por algunas hormonas (de forma positiva por el glucagón y la adrenalina, y de forma negativa por la insulina), y requiere de una ruta de señalización intracelular para poder activarse:

• ·         El ligando específico (glucagón o adrenalina) se une al receptor de membrana de tipo 7TM (cruza siete veces la membrana celular).
• ·         El receptor interactúa y activa una GTPasa (como la proteína G), que a su vez, se une al adenilato ciclasa.
• ·         El adenilato ciclasa produce AMPc a partir de ATP
• ·         El aumento de la concentración de AMPc activará una proteína quinasa, la cual fosforilará a la enzima LSH
• ·         LSH, fosforilada, presentará actividad.

Ruta de activación de la enzima LSH por señalización celular inducida por hormona

OTROS MECANISMOS MOLECULARES DE ACTIVACIÓN DE LA LIPÓLISIS

En realidad, la situación a nivel intracelular aún es más complicada, puesto que existen una serie de proteínas reguladoras que permiten activar o desactivar la lipólisis, siguiendo también las instrucciones de los diferentes ligandos (hormonas) que se unen a la célula (adipocito) y activas rutas de señalización intracelular).

En la situación basal, nos encontramos con que la proteína “perilipin” está secuestrada por CGI-58, evitando que se pueda producir la lipólisis de la gota lipídica. Cuando se activan rutas de señalización intracelular activadoras, la situación cambia:

• 1.       LSH y “peripilin” son fosforiladas (debido a la acción de rutas de señalización celular como respuesta a hormonas u otros ligandos).
• 2.       LSH, una vez fosforilada por su quinasa, se puede unir a “perilipin”.
• 3.       La interacción entre LSH y “perilipin”, ambas fosforiladas, produce la liberación de CGI-58.
• 4.       CGI-58, ahora liberada de “perilipin”, se une a la lipasa ATG, y la activa.
• 5.       Empieza la lipólisis, por acción de la lipasa ATG (que produce un DAG y un FFA por reacción). A continuación, catalizará la reacción la enzima LSH, que producirá un MAG y otro FFA, y el MAG, de carácter menos hidrofóbico que un TAG o un MAG, podrá salir de la gota lipídica, y ya a nivel del citosol, será catalizado por la 2-MAG Hidrolasa.

Regulación de la lipólisis mediada por "perilipin" y CGI-58