Los ácidos grasos se rompen en unidades de C2 a través de la b-oxidación formando acetil-CoA, y son sintetizados a partir de esta molécula en una vía diferente. La actividad de b-oxidación varía con la concentración de ácidos grasos, la cual a su vez depende de la actividad de la triacilglicerol lipasa sensible a hormonas que se encuentra en el tejido adiposo. Esta enzima es estimulada por reacciones de fosforilación/defosforilación dependientes de cAMP, gracias a la acción de glucagon y epinefrina, e inhibida por insulina. La síntesis de ácidos grasos depende de la actividad de la acetil-CoA carboxilasa, la cual es activada por citrato e inhibida por el producto de la vía en palmitoil-CoA (que es el precursor de ácidos grasos de cadena mayor o insaturados). Esta vía es regulada a largo plazo a través de alteraciones en la velocidad de síntesis de las enzimas, lo cual es estimulado por la insulina e inhibido por ayuno.
Una vez que los requerimientos energéticos de la célula han sido satisfechos y la concentración de substratos oxidables es elevada, estos últimos son almacenados en forma detriacilglicéridos, que son la reserva energética a largo plazo más importante de las células y los organismos en general. La primera parte de este proceso, es la biosíntesis de ácidos grasos, la cual se efectúa en el citoplasma a partir de acetil-CoA, ATP y el poder reductor del NADPH proveniente del ciclo de las pentosas fosfato y otros sistemas generadores.
La biosíntesis de ácidos grasos, ocurre a través de la condensación de unidades de dos carbonos, es el sentido opuesto a la b oxidación. En 1945 David Rittenberg y Konrad Blochutilizando técnicas de marcaje isotópico, demostraron que la condensación de estas unidades es derivada del ácido acético. El papel del acetil-CoA en la reacción de condensación fue descubierto en 1950 por Salih Wakil quien describió al bicarbonato como un requerimiento en la biosíntesis de los ácidos grasos y al malonil-CoA como un intermediario del proceso.
La biosíntesis de los ácidos grasos difiere de su oxidación. Esta situación es el caso opuesto típico de las vías biosintéticas y degradativas que permite que ambas rutas puedan ser termodinámicamente favorables e independientemente regulables bajo condiciones fisiológicas similares.
Figura: diferencias entre las vías de oxidación de los ácidos grasos y su síntesis
Las diferencias se encuentran a 5 niveles: 1.- localización celular; 2.- acarreador del grupo acilo; 3.- pares dador/aceptor de electrones; 4.- estereoquímica de la reacción de hidratación/deshidratación; y 5.- la forma en que las unidades C2 son producidas o donadas. ACP (acil binding protein)
A pesar de que las coenzimas y la estereoquímica de los intermediarios son diferentes en la oxidación y en la biosíntesis de los ácidos grasos, la principal diferencia es la manera en la cual las unidades de C2 son agregadas o removidas de la cadena acil-tioéster.
La b-cetotiolasa cataliza la ruptura de la unión Ca-Cb del b-cetoacil-CoA produciendo acetil-CoA y un nuevo acil-CoA que es más corto en dos unidades de carbono. El DG°´ de la reacción catalizada, es cercano a cero, por tanto, pude funcionar en el sentido inverso (formación de cuerpos cetónicos).
La reacción de condensación está acoplada a la hidrólisis de ATP. Este proceso consta de dos pasos:
1. Carboxilación del acetil-CoA dependiente de ATP, reacción catalizada por la acetil-CoA carboxilasa formando malonil-CoA.
2. Descarboxilación exergónica del malonil en la reacción de condensación catalizada por la sintasa de ácidos grasos.
La acetil-CoA carboxilasa cataliza el primer paso de la biosíntesis, además de ser uno de los pasos limitantes del proceso. El mecanismo de esta enzima es dependiente de labiotina, su mecanismo de reacción es muy similar al de:
(a) propionil-CoA carboxilasa para la conversión del propionil-CoA a succinil-CoA. Muchos ácidos grasos consisten de cadenas con números pares de carbonos, por tanto pueden sermetabolizados completamente a acetil-CoA. En algunas plantas y organismos marinos, se sintetizan ácidos grasos de cadenas nones. En estos organismos el producto final de la boxidación es el propionil-CoA, el cual también es producido por la oxidación de isoleucina (Ile), valina(Val) y metionina (Met). En los rumiantes, el acetato y propionato producidos en elrumen por la fermentación bacteriana de carbohidratos es absorbido al torrente sanguíneo y metabolizado a su acil-CoA correspondiente. Este proceso provee de la mayor parte de la energía que el animal consume.
(b) piruvato carboxilasa enzima del ciclo de Krebs que en la gluconeogénesis permite la formación de fosfoenol piruvato a partir de piruvato, es la reacción reversa de la piruvato cinasa. Esta reacción, es endergónica y necesita de una entrada de energía. Para ello primero hay que convertir al piruvato en oxaloacetato que es un intermediario de alta energía cuyadescarboxilación exergónica provee de la energía necesaria para la síntesis de fosfoenol piruvato. La piruvato carboxilasa cataliza la primera reacción (conversión a oxaloacetato), la segunda la cataliza la fosfoenol piruvato carboxicinasa (formación de fosfoenol piruvato). El proceso se lleva a cabo en dos etapas, activación del CO2 y carboxilación
Enzima carboxibiotinilada
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HCO3 + ATP
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E-biotina â E-biotina- CO2 â Malonil-CoA + E-biotina
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ADP +Pi acetil-CoA
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Acetil-CoA carboxilasa
Figura: participación de la acetil-CoA carboxilasa.
En E. coli ambas reacciones, son actividades separadas (biotina carboxilasa y transcarboxilasa respectivamente, en el proceso interviene también la proteína biotina acarreadora de carboxilo), en mamíferos y aves se llevan a cabo en la misma enzima, que además contiene al acarreador de carboxilos en una estructura de 230 kD. Esta enzima, sólo es activa en forma de largos filamentos de peso molecular entre 400 y 8000 kD. La acumulación de citrato citosólico es la señal para activar la síntesis de ácidos grasos, este evento ocurre cuando se acumula acetil-CoA en la matriz mitocondrial, por el contrario, el palmitoil-CoA es el inhibidor de la síntesis.
El glucagon, la epinefrina (adrenalina) y norepinefrina (noradrenalina) promueven vía cAMP la fosforilación de las enzimas lo cual promueve el equilibrio hacia el protómeroinactivo. La insulina por el contrario promueve la defosforilación de la enzima y por tanto la formación del polímero. En los procariontes, la enzima no está sujeta a estas regulaciones.
La síntesis de ácidos grasos principalmente de ácido palmítico a partir de acetil-CoA y malonil-CoA se lleva acabo en siete reacciones. En E.coli son catalizadas por enzimas independientes, al igual que en el cloroplasto (único sitio de síntesis de ácidos grasos en plantas). En las levaduras, la sintasa de ácidos grasos es un decámero a6b6 multifuncional de 2500kD. En animales consiste de dos cadenas polipeptídicas idénticas de 534 kD también multifuncionales.
1.- Acetil-CoA + H-SACP (acetil-CoA-ACP transacilasa) â acetil-SACP
2.- acetil-ACP + malonil-CoA (b- acetoacil-ACP sintasa) â acetoacetil-SACP
(enzima condensante)
3.- Acetoacil-ACP (b- cetoacil-ACP reductasa con oxidación de NADPH) â D-b- hidroxibutiril-ACP
4.- D-b- hidroxibutiril-ACP (deshidrogenación por b- hidroxiacil-ACP dehidratasa)â a,b-trans-butenoil-ACP
5.- a, b- trans–butenoil-ACP (oxidación de NADPH por enoil-ACP reductasa) â butiril-ACP
6.- butiril-ACP (repetición de los pasos2-6, seis o más veces) â palmitoil-ACP
7.- palmitoil-ACP (hidratación por palmitoil tioesterasa) â palmitato + H-SACP
Figura: las 7 reacciones de la síntesis de ácidos grasos.
Entre paréntesis se muestra a la enzima y la reacción que cataliza
El acetil-CoA es generado en las mitocondrias por descarboxilación oxidativa del piruvato (reacción catalizada por la piruvato deshidrogenasa), así como por la oxidación de los ácidos grasos. Cuando las necesidades de ATP son bajas (i.e. cuando la oxidación de acetil-CoA vía ciclo del ácido cítrico y la fosforilación oxidativa son mínimos), el acetil-CoA se almacena como energía en forma de grasas. La membrana mitocondrial es impermeable a acetil-CoA por lo cual abandona la mitocondria en forma de citrato vía el sistema de transporte de tricarboxilatos.
Figura: sistema de transporte de tricarboxilatos.
El palmitato (16:0) producto normal de la síntesis de ácidos grasos, es el precursor de los ácidos grasos saturados e insaturados de cadena mayor a través de las enzimaselongasas que se encuentran en la mitocondria y el retículo endoplásmico, el mecanismo es diferente en ambos organelos:
(a) mitocondrial: adición sucesiva y reducción de unidades de acetilo en la forma reversa de la oxidación de los ácidos grasos (la única diferencia es la generación de NADPH en vez de FADH2).
(b) retículo endoplásmico: condensaciones de malonil-CoA (la diferencia con la sintasa de ácidos grasos es que se utiliza CoA en vez de ACP)
Las insaturaciones se producen por la catálisis de las enzimas desaturasas terminales. Los mamíferos presentan cuatro desaturasas dependiendo del sitio en donde hacen la doble ligadura (posiciones 9, 6, 5 y 4).
Los triacilglicéridos se sintetizan a partir de acil-CoA y glicerol-3-fosfato o dihidroxiacetona fosfato. En la mitocondria, el proceso se inicia por la enzima glicerol-3-fosfatoaciltransferasa y en retículo endoplásmico y peroxisomas por la dihidroxiacetona fosfato aciltransferasa. El ácido lisofosfatídico resultante es transformado en un triacilglicérido por la acción sucesiva de la enzima 1-acilglicerol-3-fosfato aciltransferasa, ácido fosfatídico, enzima fosfatasa y diacilglicerol aciltransferasa. El ácido fosfatídico a su vez, puede ser convertido en un fosfolípido.
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