LIPOGÉNESIS (V): BIOSÍNTESIS DE ISOPRENOIDES

CARACTERÍSTICAS DEL COLESTEROL

• Componente de la membrana celular.
• Precursor de hormonas esteroidales y ácidos biliares (estos últimos nos servirán para digerir los lípidos de la ingesta. Los ácidos biliares son la única manera que tiene el cuerpo de degradar este tipo de compuesto, perdiéndose un pequeño porcentaje con la materia fecal).
• 27 átomos de carbono, todos ellos derivan del acetil-CoA, que se condensa formando unidades de isoprenos, los cuales también son precursores, a su vez, de isoprenoides o terpenos.
• La síntesis se produce a nivel del citosol y el RE.

BIOSÍNTESIS DEL COLESTEROL

1. Síntesis de mevalonato a partir de 3 moléculas de acetil-CoA

• Muy parecida a la síntesis de cuerpos cetónicos (pero se trata de un proceso citosólico, No mitocondrial).
• Variación final del proceso (los últimos pasos de la ruta son diferentes a los de la síntesis de cuerpos cetónicos.
• El colesterol controla su propia síntesis a partir de la regulación de la expresión de HMG-CoA reductasa, enzima que cataliza el último paso de la vía, la transformación del HMG-CoA en mevalonato (liberando un grupo CoA y gastando dos NADPH+H⁺).

Esquema de la síntesis de mevalonato a partir del acetil-CoA. Nótese el enorme parecido que tiene esta vía con la síntesis de cuerpos cetónicos.

2. Síntesis del Isopentenil pirofosfato (Isopentil-PP, 1 unidad de isopreno activado, precursor biosintético del colesterol) i condensación de 6 moléculas de isopentil-PP para formar escualeno (Se produce a nivel del REL).

• La síntesis de Isopentil-PP tiene un coste energético de 3 ATPs, e implica la pérdida de un carbono al final del proceso (formación del isopreno, 5 carbonos).

• La isomerización del isopentil-PP a dimetilal-Lil-PP.

• La condensación del dimetilal-Lil-PP con un isopentil-PP, implicará la perdida de un grupo pirofosfato (PP), para formar una molécula de geranil-PP (10 carbonos).

• El Geranil-PP se vuelve a condensar con un Isopentil-PP, para formar una molécula de Farnesil-PP (15 carbonos), gracias a la acción de la enzima Geranil transferasa (se volverá a perder un grupo pirofosfato). A continuación, la molécula de Farnesil-PP se condensará con otra molécula de Farnesil-PP (por la cola de las dos moléculas), todo ello mediado por la enzima Escualeno sintasa, y gastando poder reductor (2xNADPH+H⁺) y perdiendo los dos grupos pirofosfato (PP). El producto final será una molécula de Escualeno (30 carbonos).

3. Esta fase es compleja, e involucra la ciclación del Escualeno para dar como producto Lanosterol, el cual, a partir de una série de reacciones de descarboxilación y reducción se convertirá en una molécula de colesterol. Destacar la enzima Escualeno monooxigenasa, que cataliza la reacción de oxidación del Escualeno para producir Lanosterol, y utiliza NADPH+H⁺ como poder reductor. Se formará, además, un intermediario, el Epóxido de Escualeno.

DERIVADOS DEL COLESTEROL

• Sales biliares (a nivel del hígado, facilitan la reabsorción de lípidos, único medio por el cual podemos llegar a degradar isoprenoides).
• Progesteronas: Cortisol (glucocorticoide), afecta el metabolismo glucídico y proteico. Suprime la respuesta inmune, inflamatoria y alérgica, Corticosterona y Aldosterona (mineralocorticoides), Regula la reabsorción de Na⁺ , Cl^- , HCO₃ ^– renal, Testosterona y Estradiol (hormones sexuales), influyen las características sexuales secundarias. El estradiol regula el ciclo reproductor femenino.
• Vitamina D (Facilitan el paso del calcio a nivel del tejido óseo. Su déficit provoca ratiquismo). 

LIPOGÉNESIS (IV): BIOSÍNTESIS DE EICOSANOIDES, TAGS Y FOSFOLÍPIDOS

BIOSÍNTESIS DE EICOSECANOIDES

• Los eicosanoides o icosanoides​ son un grupo de moléculas de carácter lipídico originadas de la oxidación de los ácidos grasos esenciales de 20 carbonos tipo omega-3 y omega-6. Cumplen amplias funciones como mediadores para el sistema nervioso central, los eventos de la inflamación y de la respuesta inmune tanto en vertebrados como en invertebrados.
• Están agrupados en prostaglandinas, tromboxanos, leucotrienos, y ciertos hidroxiácidos precursores de los leucotrienos. Constituyen las moléculas involucradas en las redes de comunicación celular más complejas del organismo animal.

En la siguiente figura tenemos un esquema de los diversos componentes involucrados en la biosíntesis de eicosanoides:

Nótese que existen dos vías.

Vía de las Ciclooxigenasas:

• Se producen prostaglandinas y tromboxans.
• Se obtienen por ciclación y oxidación.
• Función: Regulación de la presión sanguínea y la coagulación, respuesta inflamatoria, actividad del aparato digestivo, etc.

Vía de las lipooxigenasas:

• Se producen leucotrienos.
• Se obtienen por oxidación y deshidratación, manteniendo la cadena abierta.
• Función: Actúan como potentes constrictores de la musculatura lisa, aumentan la permeabilidad muscular (mediadores de algunos procesos de inflamación crónica), etc

Partiendo del Ácido Araquidónico, se puede llegar a producir, segun la vía seguida, Prostaglandinas (vía de la ciclooxigenasa) o Leucotrienos (vía de la lipooxigenasa).

BIOSÍNTESIS DE TAGs Y FOSFOLÍPIDOS

• Actividad importante en tejidos que tienen síntesis de lípidos (Hígado, TAB, TAM, glándula mamaria, etc).

La primera fase de la vía sintetiza una molécula de Glicerol-3-P. Hay dos posibilidades:

1. Mediante la acción de la Glicerol-3-P deshidrogenasa (vía principal), en el TAB, la cual se produce a partir del DHA-P, intermediario de la glucólisis (lo podemos haber obtenido a partir de sustratos como la glucosa, piruvato, lactato o aa). DHA-P + NADH+H⁺ à Glicerol-3-P + NAD⁺
2. Mediante la Glicerol quinasa, en otros tejidos, como el hígado, el TAM o la glándula mamaria. Glicerol + ATP à Glicerol-3-P

Los siguientes pasos de la vía ya son comunes:

• A continuación, el Glicerol-3-P se convertirá en Ácido Lisofosfatídico mediante la adición de un grupo acilo (se obtendrá como producto una molécula de CoA también). LA enzima que cataliza la reacción se llama Glicerol-·-P-Acilo transferasa.
• El Ácido Lisofosfatídico se convertirá en Ácido Fosfatídico por adición de un segundo acilo (y obtención, igualmente de un segundo grupo CoA), todo ello catalizado por la enzima 1-AcilGlicerol-3-P-Acil transferasa.
• En este punto de la vía, podemos seguir dos aminos. En una dirección, y mediante la adición de un grupo CTP, obtendremos CDP-Diacilglicerol, que más tarde y siguiendo otras reacciones acabará convirtiéndose en Fosfaditilinositol (segundo mensajero en muchos procesos de señalización celular) o fosfaditilglicerol.
• No obstante, y mediante la catálisis ejercida por la enzima Fosfatidato fosfatasa (partiendo de nuevo del Ácido Fosfatídico), obtendremos una molécula de DAG (1,2-Diacilglicerol).
• De nuevo, podremos seguir dos rutas, una de ellas nos llevará a la formación de fosfolípidos como la Fosfatidilcolina, la Fosfatidiletanolamina o la fosfatidilserina. La otra, mediada por la enzima 1,2-Diacilglicerol aciltransferasa, nos producirá finalmente el TAG (triacilglicerol), mediante la adición de un tercero acilo al DAG.

Esquema de la esterificación de TAGs y Fosfolípidos

Las diversas vías de síntesis de TAGs y Fosfolípidos pueden estar entremezcladas y compartir algunos de los precursores. Destacar la vía de los monoacilglicéridos, en enterocitos.

LIPOGÉNESIS (III): ESTEQUIOMETRIA Y COSTE ENERGÉTICO, SÍNTESIS DE FFA IMPARES, COMPARACIÓN ENTRE LA BIOSÍNTESIS DE FFA Y LA Β-OXIDACIÓN Y ELONGACIÓN DE FFA

ESTEQUIOMETRIA Y COSTE ENERGÉTICO (síntesis del ácido palmítico)

En la reacción del acetil-CoA carboxilasa:

Acetil CoA carboxilasa 7 acetil CoA + 7 CO2 + 7 ATP à 7 malonil CoA + 7 ADP + 7 P.

A nivel global:

1 acetil CoA + 7 malonil CoA + 7 ATP + 14 NADPH+H+ à 1 palmitato + 8 HSCoA + 7 CO2 + 7 ADP + 7 Pi + 14 NADP+ + 6 H₂O.

El gasto energética y de poder reductor: 7 ATP y 14 NADPH+H⁺.

SÍNTESIS DE FFA DE CADENA IMPAR

• En lugar de tenir un acetil-CoA iniciador, algunos organismos pueden utilitzar el propionil-CoA.
• La reacción de condensación es catalizada por la enzima β-Cetoacil ACP sintasa.

COMPARACIÓN ENTRE LA BIOSÍNTESIS DE FFA Y LA β-OXIDACIÓN

Lipogénesis	Β-oxidación
Vía citosólica Proteína que transporta los acilos: ACP Enzimas asociados en una única cadena Agente reductor: NADPH+H+ Intermediario de la reacción: β-D-Hidroxiacil Precursor: Malonil-CoA	Vía mitocondrial Proteína que transporta los acilos: Coenzima A Agentes oxidantes: NADH+H+ y FADH2 Intermediario de la reacción: β-L-Hidroxiacil Producto de degradación: Acetil-CoA

La lipogénesis y la oxidación no se pueden producir simultáneamente, puesto que los acil-CoA recién sintetizados no pueden entrar en la mitocondria para ser oxidaos debido a que la Carnitina Acil Transferasa I (CPT1) es inhibida por los niveles elevados de malonil-CoA. 

ELONGACIÓN DE FFA

• Reproduce exactamente las mismas reacciones catalizadas por el complejo FAS, pero con enzimas independientes (Se encuentran ancoradas a la membrana del REL, de cara hacía el citosol.
• Una diferencia importante con la lipogénesis que hemos estudiado antes se corresponde al hecho que el acompañante del FFA que se está elongando no es ACP, sino CoA.
• Existe la posibilidad de elongar el FFA en el contexto mitocondrial (forma muy minoritaria). En ese caso, se produciría esta vía si el potencial reductor en el interior de la mitocondria fuese muy alto (las enzimas son muy parecidas. Diferencia: la substitución de la Acil CoA deshidrogenasa (usa cofactor FADH₂) por la Enoil CoA reductasa (Usa NADPH+H⁺).

Los FFA de cadena muy larga suelen presentar insaturaciones. ¿Como se generan estas insaturaciones?

• Actuación de enzimas unidas a la membrana del REL.
• No podemos generar todo tipo de insaturaciones, por ese motivo, hay algunos FFA considerados esenciales (debemos ingerir mediante la dieta) y otros no (podemos sintetizarlos a nivel de nuestro organismo.
• Tipos de desaturasas: Plantas, Δ⁴,  Δ⁵, Δ⁶, Δ⁹, Δ¹² y Δ¹⁵, mamíferos (solo en cis), únicamente , Δ⁴,  Δ⁵, Δ⁶, Δ⁹ (los mamíferos no pueden introducir insaturaciones más allá del enlace noveno. Siempre elongamos el extremo carboxilo, por eso la insaturación, a medida que procedemos con la elongación se irá corriendo hacia la izquierda).

Ejemplo de la acción de la Δ⁹: Estearil CoA desaturasa

Ejemplo de la incorporación de una insaturación por parte de un estearil-CoA.

LIPOGÉNESIS (II): BIOSÍNSTESIS DE LOS FFA

La biosíntesis de los TAGs está mediada por dos enzimas, la Acetil-CoA carboxilasa i la Ácido graso sintasa (esta última es un complejo multienzimático. Parece ser que la evolución ha sido capaz de integrar una gran gama de enzimas aisladas que catalizaban diversas reacciones de biosíntesis en este complejo).

ÁCIDO GRASO CARBOXILASA

• La regulación de la Ácido graso carboxilasa está mediada de forma positiva por la insulina (que induce su polimerización y la activa), y el citrato. De forma negativa , existe la regulación por glucagón y catecolaminas, y de los propios FFAs de cadena larga, por feedback negativo, induciendo la enzima a un estado monomérico e inactivo.
• El ácido graso carboxilasa regula la reacción de carboxilación del acetil-CoA para convertirlo en Malonil-CoA, y para ello requerirá de un aporte de energía (ATP), y de un ion carbonato.

Reacción de carboxilación del acetil-CoA a malonil-CoA

ÁCIDO GRASO SINTASA (FAS, Fatty Acid Sintase)

• Su mecanismo de acción es muy parecido al de la β-oxidación, pero al revés. (Acil activado + Malonil-CoA, la diferencia respecto a la β-oxidación).
• La estructura es en forma de dímero. Cada subunidad está a su vez conformada por 2 partes, un dominio de condensación y otro de reducción. Ambos dominios, tendrán un grupo -SH que tendrá como función la de unirse y transportar los grupos acilo entre las dos subunidades. Eso será posible gracias a la disposición asimétrica (no enantiomérica) de las dos subunidades del dímero (el dominio de condensación se hallará justo enfrente del dominio reductor de la otra subunidad, permitiendo la cercanía de los dos grupos -SH y por lo tanto, la trasferencia del acilo. Destacar que el grupo -SH del dominio reductor se encuentra unido a ACP, que actúa de la misma forma que CoA.

Estructura del complejo FAS.

Las reacciones catalizadas por el complejo FAS son las siguientes:

1. Partiremos con una molécula de malonil-CoA (sintetizada a partir de la reacción vista antes) y otra de acetil-CoA. Esta última se convertirá en Acetil-ACP mediante el intercambio de su grupo CoA con uno ACP (unido a la enzima) con la ayuda de la enzima Acetil transcilasa.
2. El Acetil-ACP cederá su grupo al malonil-CoA, que se transformará en malonil-ACP (se liberará un grupo CoA), todo ello mediado por la enzima Malonil transacilasa. El acetil que ha cedido su grupo ACP se quedará unido a la enzima, justamente en el otro grupo -SH del complejo multimérico, en el grupo sulfhidrilo unido a la cisteína.
3. A continuación, se produce la unión entre el Malonil-ACP y el acetil unido a la enzima, gracias a la enzima β-cetoacil ACP sintasa. Hay que destacar dos hechos. El primero, que se producirá una descarboxilación, liberándose CO₂, y el segundo, que los carbonos que provienen del acetil se unirán a ACP. Por ese motivo, la cadena crecerá de dentro hacía fuera, o dicho de otra manera, los grupos unidos al principio a la cadena se encontraran más lejos del grupo ACP al final de la síntesis. Como producto de esta reacción, obtendremos una molécula de β-cetoacil-ACP (con más o menos carbonos conformándola, según el número de vueltas que llevemos).
4. .Más tarde, se reducirá el β-cetoacil-ACP a β-d-hidroxiacil-ACP, usando lógicamente poder reductor (que como ya habíamos adelantado, se trata del NADPH+H⁺) y a su vez, la reacción será mediada por la enzima β-cetoacil-ACP reductasa. Nótese que la configuración de la molécula es D, mientras que, en la lipólisis, uno de los intermediarios tenía que ser L.
5.  Después, la molécula de β-d-hidroxiacil-ACP se deshidratará a α-β-trans-enoil-ACP, implicando la formación de un doble enlace, reacción catalizada por β-d-hidroxiacil-ACP deshidratasa.
6. La α-β-trans-enoil-ACP pasará a convertirse en una molécula de Acil-ACP al reducirse (de nuevo, necesitaremos poder reductor, NADPH+H⁺), con la ayuda de la enzima β- enoil-ACP reductasa.
7. Finalmente, el Acil-ACP se convertirá en Acil-enzima (o sea, se transferirá al otro dominio de la FAS, en el grupo -SH unido a la cisteína), gracias a la acción de nuevo de la Acetil transacilasa. En este punto del mecanismo, se pueden elegir entre dos rutas. Una consistirá en empezar una nueva vuelta, al unirse una nueva molécula de malonil-CoA al acilo (habiéndose unido previamente al grupo ACP del dominio reductor de FAS), empezando de nuevo las reacciones que acabamos de ver, o, llegados a este punto y contando con una cadena larga de carbonos, se puede deshidratar de nuevo el acilo, mediante la acción de la enzima tioesterasa (que forma pat de FAS pero no se encuentra en ninguno de los dos dominios que se han descrito antes), obteniendo como producto un ácido graso (por ejemplo, si este cuenta con una cadena de 16 carbonos, será una molécula de ácido palmítico.

Esquema de la biosíntesi de los FFA. Los enzimas son, respectivamente:

1, Acetil transcilasa, 2,Malonil transacilasa, 3, β-cetoacil ACP sintasa, 4, β-cetoacil-ACP reductasa, 5, β-d-hidroxiacil-ACP deshidratasa, 6, β- enoil-ACP reductasa, 7, tioesterasa. 

LIPOGÉNESIS (I): TRASNFERENCIA DEL ACETIL-CoA

CONCEPTOS GENERALES

• Lipogénesis es el nombre que recibe el proceso de síntesis de FFAs. Se produce por condensación de moléculas de acetil-CoA. Estas moléculas no pueden proceder de la β-oxidación, ya que esta vía estará inhibida cuando haya lipogénesis. Por ese motivo, la formación de acetil-CoA será a partir de sustratos NO lipídicos, como glucosa o aminoácidos.
• ¿Dónde se produce? Principalmente, en los animales, esta sucede a nivel del hígado, donde se acaban produciendo TAGs, que saldrán en forma de VLDL (lipoproteínas de muy baja densidad). Estas lipoproteínas se trasladarán a el TAB (tejido adiposo blanco), el cual también tiene maquinaria de biosíntesis lipídica (menos relevante), ya que su función principal es de lipólisis. No obstante, el mayor consumidor será el músculo esquelético y cardiaco, que actuará como sumidero principal. A nivel subcelular, podemos hallar la siguiente distribución (diferenciamos entre células animales y vegetales):

Distribución del metabolismo lipogénico a nivel celular.

• La lipogénesis es una vía citosólica, cuyo precursor es el malonil-CoA (que incorpora un acetil-CoA). Requiere NADPH+H⁺ (poder reductor que requerirá, para ser producido, de la ruta de las pentosas-fosfato, o de la actividad de la enzima málica).

TRASNFERENCIA DEL ACETIL-CoA A TRAVÉS DE LA MEMBRANA MITOCONDRIAL

¿De donde proviene el acetil-CoA que usaremos durante la lipogénesis? De la mitocondria, ya que lo habremos obtenido a partir de la reacción de conversión del piruvato a acetil-CoA, catalizada por la piruvato deshidrogenasa. No obstante, tenemos un problema, puesto que el acetil-CoA No puede travesar la membrana mitocondrial. Por ese motivo, necesitaremos la ayuda de otro compuesto, el citrato, para poder realizar dicho transporte (nótese en los siguientes pasos, que gran parte de las reacciones forman parte del ciclo de Krebs):

1. El acetil-CoA de la matriz mitocondrial se une al oxalacetato, todo ello catalizado por la citrato sintasa, produciendo citrato (el primer paso del ciclo de Krebs).
2. El citrato puede travesar la membrana interna mitocondrial por una proteína transportadora llamada “citrate transporter”. La membrana externa es muy porosa y el citrato no tendrá ningún problema para traspasarla.
3. Ya en el citosol, y mediado por la citrato liasa, junto con la adición de una molécula de CoA y el uso de una molécula de ATP, se producirá Oxalacetato y acetil-CoA (por lo tanto, se habrá liberado este compuesto al citosol, objetivo del ciclo que estamos describiendo. El resto de los procesos consistirán en el etorno al interior de la mitocondria).
4. El Oxalacetato, usando el poder reductor de una molécula de NADH+H⁺ y todo ello mediado por la enzima MDH (Malato deshidrogenasa), se convertirá en malato. Este compuesto podrá volver al interior de la matriz mitocondrial, gracias a la presencia de un transportador llamado “Malate-α-ketoglutarate transporter”. No obstante, hay otra posibilidad de ruta, que será explicada en el paso 6.
5. A continuación, el malato se oxidará a oxalacetato (compuesto inicial del ciclo) mediado de nuevo por la enzima MDH, produciendo poder reductor en forma de NADH+H⁺.
6. El Malato citosólico, en lugar de entrar directamente hacía la matriz mitocondrial, puede seguir otra vía metabólica, que incluirá una reacción de descarboxilación para formar piruvato y poder reductor en forma de NADPH+H⁺ (muy importante este hecho, puesto que antes hemos comentado que la lipogénesis utiliza el NADPH+H⁺ como poder reductor). Esta reacción de formación de piruvato será catalizada por la enzima málica dependiente de NADP⁺. El piruvato podrá traspasar la membrana mitocondrial interna por el transportador “pyruvate transporte”, e internalizarse en el interior de la mitocondria.
7. El piruvato se convertirá en oxalacetato mediante na reacción de carboxilación, usando un ATP y gracias a la acción de la piruvato carboxilasa. Con la obtención de oxalacetato (también en el paso 5), habremos completado el ciclo.

Esquema del proceso de transferencia del acetil-CoA a través de la membrana mitocondrial.

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.

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

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

DEGRADACIÓN DE LÍPIDOS (I): CONCEPTOS GENERALES

Los FFA (Free Fatty Acids) se almacenan en el organismo en forma de TAG (Triacylgliceryde), los cuales son triésters formados a partir de la unión de una molécula de glicerol y tres FFA. Encontramos TAGs en el tejido adiposo.

Estructura química del Glicerol, un FFA y un TAG.

Distinguimos dos tipos de tejido adiposo, el tejido adiposo blanco (TAB), y el marrón (TAM). Las células que caracterizan a los primeros pueden llegar a contener un 90% de concentración de TAGs, mientras que las que caracterizan a los TAM tienen una menor concentración de estos, aproximadamente un 40 o 50%. Aunque ambos poseen un mismo tipo celular (adipocitos) y presencia de gran cantidad de lípidos, su origen histológico y funciones que pueden desempeñar varían enormemente dependiendo del tejido que describamos. El TAB tiene capacidad de transporte de glucosa, de lipogénesis y presenta una estructura poco inervada y con adipocitos que contienen una única y enorme vacuola repleta de lípidos, mientras que el TAM también presenta capacidad de transporte de glucosa y de lipogénesis, pero mucha más inervación, mayor número de vesículas (más pequeñas), y capacidad de realizar la β-oxidación de FFA y termogénesis. Hay estudios que indican un posible origen embriológico común entre el TAM y el músculo esquelético, puesto que este también posee la capacidad de transporte de glucosa y de β-oxidación de FFA.

Imagen con microscopio óptico de TAB y TAM

Los oleosomas son orgánulos citoplasmáticos de células vegetales en los que se acumulan lípidos como sustancia de reserva. Son especialmente abundantes en frutos y semillas de plantas oleaginosas como la oliva o algunos frutos secos.

Estructura tridimensional de un oleosoma

La producción energética del metabolismo glucídico y lipídico es diferente, ya que el último tiene capacidad de generar mayor cantidad de ATP. La oxidación de los FFAs da como resultado 37,7KJ/mol, mientras que la oxidación de la glucosa nos produce una cantidad menor de energía, 16,7Kj/mol. Además, y ahora hay que resaltar que hablamos a nivel del TAG, únicamente un 5% de la energía obtenida de el procede la molécula de glicerol, mientras que el 95% restante lo obtendremos de los tres FFAs. Otro punto destacable en la comparación del metabolismo de los FFAs con el de la glucosa es el de la capacidad de almacenamiento de estos compuestos, debido a la naturaleza hidrofóbica de los TAGs, que difiere con la mayor solubilidad de la glucosa, confiriéndole mucha mayor eficiencia energética por gramo de compuesto oxidado (esto es debido a que la glucosa, al ser de carácter hidrofílico, presenta muchas moléculas de agua en su almacenaje).

Finalmente, puntualizar una série de diferencias que existen entre las células vegetales y animales sobre los compartimentos donde se desarrolla el metabolismo lipídico.

Principales diferencias existentes en la localización subcelular de los diferentes procesos del metabolismo lipídico.