Bioquímica General. Unidad 09 Metabolismo de Lípidos

Transcripción

1 Bioquímica General Unidad 09 Metabolismo de Lípidos

2 Introducción Consideremos el vuelo de las aves migratorias, algunas pueden volar 1600 km sin detenerse a 40 km/h. Un trabajo como este sólo se puede realizar a expensas de lípidos como combustible. En esta unidad vamos a considerar las vías por las cuales estas moléculas son oxidadas para disponer de energía y sintetizadas para su almacenamiento. El gaviotín ártico (Sterna paradisaea), recorre hasta km al año. 2

3 Fuentes de aceites y grasas Los aceites y grasas son constituyentes esenciales de todas las plantas y animales. Fuentes de aceites: 1. Semillas de plantas anuales, como: lino, soja, algodón, y otras (de climas relativamente templado y cultivo algo cuidadoso). 2. Árboles productores de frutos oleaginosos, como: cocotero, palmera, olivo y tung (de clima relativamente cálido o tropical). Algodón Genero: Gossypium 3

4 4

5 Fuentes de grasas animales: 1. De animales domésticos: cerdos, vacas y ovejas (gran número en climas templados). 2. Grasas de leche de: cabra, búfalo, reno, otros, y vaca (requiere clima templado e intensa agricultura). 5

6 6

7 En el mar se produce una considerable Fuentes: cantidad de aceites Peces pequeños y numerosos: sardinas, arenque y sábalo. Los aceites de pescado (son grasas animales). El pescado se manipula para obtener aceite como producto primordial y el residuo se utiliza para alimento de animales o como fertilizantes. El aceite de pescado fue sobrepasado por el de ballena en Arenque Clupea spp 7

8 8

9 Función de los lípidos Reserva Específicas Energética Funciones Protectora Reguladora Estructural 9

10 Funciones Específicas: Receptores de las membranas. Estructurales: Forma parte de membranas celulares y de vainas de células nerviosas. Reguladoras: Algunos actúan como hormonas y vitaminas (corticosteroides, hormonas sexuales, vitamina D, etc). 10

11 Funciones Protectora y aislante: funciones mecánicas protegiendo los órganos y al mismo tiempo aísla al cuerpo de la perdida de calor. 11

12 Función energética Contenido calórico 6 veces superior al de los carbohidratos, a igualdad de peso, debido a que la grasa está más reducida y es anhidra. La oxidación de los ácidos grasos constituye la principal fuente de energía para muchos tejidos animales. 12

13 Función de reserva Las reservas de grasa se mantienen a partir de la alimentación. Alrededor del 40% del valor calórico de los alimentos occidentales proceden de las grasas. La mayoría de los especialistas en nutrición recomiendan que este valor este cerca del 25-30% para evitar problemas cardiovasculares. 13

14 Transporte de grasas y colesterol 14

15 Visión de rutas de transporte 15

16 Los triacilglicéridos Proceden de: 1. La alimentación. 2. La biosíntesis de novo (hígado). 3. Las reservas existentes en los adipocitos. El principal problema de las grasas es su transporte. 16

17 Se efectúa en el intestino delgado de los mamíferos. La mayor parte son triacilgliceridos y en menor cantidad fosfolípidos y colesterol. La digestión inicia cuando se mezcla con sales biliares en el intestino para formar emulsiones. 17

18 Sales biliares Son derivados del colesterol. Se forman en el hígado y se secretan de la vesícula biliar hacia el intestino. H N S 3 H N C H H H H H H Ácido taurocólico Ácido glicocólico La sales biliares son anfipáticas. Promocionan interface entre aceite y agua. 18

19 La acción de las sales biliares y las lipoproteínas resuelven el problema del transporte de lípidos. 19

20 Los triacilgliceridos una vez en emulsión son sometidos a degradación enzimática por lipasa pancreática. La lipasa pancreática cataliza la hidrólisis de las moléculas de triacilgliceroles. R 2 C Lipasa pancreatica H 2 C C H 2 C H 2 C H C C H 2 R 1 R 3 C R 3 Triacilglicerol Diacil gliceroles (1,2 y 2,3) Lipasa pancreatica R 2 C C H R 2 C C 2 2 Lipasa pancreatica R 2 H 2 C C H C H 2 H 2 C C H 2 C 1 2 R 1 C H H H R 1 Lipasa pancreatica Monoacilglicerol H 2 C H 2 C H 2 H H C H 2 C R 3 C R 1 R 3 20

21 Los ácidos grasos libres y monoacilgliceroles son tomados dentro de las células que recubren el interior del intestino. El transporte de la grasa de la alimentación a los lugares de reserva no está regulado. Todo aquello que aparece en el cuerpo procedente de la alimentación, se absorbe, y la mayor parte se transporta al tejido adiposo para su almacenamiento. 21

22 La falta de control de este proceso es evidente en la obesidad, en el que la grasa se almacena en exceso respecto a las necesidades de aporte energético. 22

23 Después de ser tomados los ácidos grasos y los monoacilgliceroles la mayor parte de las sales biliares son recirculadas al intestino, la sangre y el hígado (Circulación heterohepática) 23

24 Los ácidos grasos en las células del intestino son convertidos acil grasos de CoA y después a triacilgliceroles, se combinan con colesterol y con proteínas específicas para formar lipoproteínas (quilomicrones). Estos luego son enviados al torrente sanguíneo. 24

25 Estructura de Lipoproteínas 25

26 Lipoproteínas A mayor contenido de lípidos en una lipoproteína, menor densidad. Quilomicrones (QM) 1. De muy baja densidad (VLDL) 2. De densidad intermedia (IDL) 3. Lipoproteínas de baja densidad (LDL) 4. Lipoproteínas de alta densidad (HDL) 26

27 Las HDL y las LDL son ricas en colesterol. Las HDL "colesterol bueno", y LDL"colesterol malo". LDL llevan el colesterol a la sangre HDL devuelve el colesterol al hígado 27

28 El destino de los fosfolípidos es similar al de los triacilgliceroles. Las fosfolipasas pancreáticas secretadas dentro del intestino catalizan la remoción de ácidos grasos del los fosfolípidos. Fosfolipasa A 1 Fosfolipasa A 2 H 2 C 1 C R 1 R 2 C C 2 H H 2 C 3 P X Fosfolipasa C Fosfolipasa D 28

29 Los ácidos grados pueden ser liberados de los adipocitos Los ésteres de ácidos grasos se almacenan en los adipocitos. La degradación de triacilgliceroles es activada por la epinefrina. Epinefrina Receptor b-adrenérgico Proteína G GTP Adenilato ciclasa ATP AMPc Proteína cinasa depende de ATPc (+) Lipasa sensible a hormona Proteína cinasa depende de ATPc ATP ADP P Lipasa sensible a hormona 29

30 Niveles bajos de glucosa activan la liberación del glucagón 1. La hormona se une a un receptor en la membrana del adipocito. 30

31 Niveles bajos de glucosa activan la liberación del glucagón 2. Estimula la adenilil ciclasa, vía una proteína G 2, para producir camp. Esto activa la PKA, que fosforila (3) la lipasa sensible a hormonas. 31

32 Niveles bajos de glucosa activan la liberación del glucagón 4. La PKA también fosforila moléculas de perilipina que permite el acceso de la lipasa sensible a hormona a la superficie de la gotícula de lípido. 32

33 Niveles bajos de glucosa activan la liberación del glucagón 5. La lipasa sensible a la hormona hidroliza triglicéridos a ácidos grasos libres. 33

34 Niveles bajos de glucosa activan la liberación del glucagón 6. Los ácidos grasos abandonan el adipocito, se unen a la albúmina sérica en la sangre y se trasportan por el torrente sanguíneo. 34

35 Niveles bajos de glucosa activan la liberación del glucagón 7. Se libera la albúmina y entran en un miocito mediante un transportador específico de ácidos grasos. 35

36 Niveles bajos de glucosa activan la liberación del glucagón 8. En el miocito, los ácidos grasos se oxidan hasta C 2, al tiempo que la energía de oxidación se conserva en forma de ATP. 36

37 xidación de ácidos grasos 37

38 Experimentos iniciales 1904 Franz Knoop. Knoop administró a perros una serie de ácidos grasos en los que el grupo metilo terminal se había modificado por un grupo fenilo. Al final encontró: 38

39 Cuando el ácido graso (AG) era par, el producto final de degradación, recuperado en la orina, era ácido fenilacético. Cuando el AG era impar, el producto era ácido benzoico. 39

40 Knoop llego a proponer que los AG se oxidan de una forma escalonada, liberando dos carbonos terminales y el resto del AG podía sufrir una nueva oxidación. CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 C - Cadena carbonos par CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 C - Cadena carbonos impar CH 2 C - Ácido fenilacético C - Ácido benzoico 40

41 Ruta de xidación de AG 41

42 b-xidación de los Ácidos Grasos Es un proceso secuencial que produce una acetil CoA que puede generar energía al entrar al Ciclo de Krebs o servir de base para la síntesis de otros biocompuestos, un NADH y un FADH 2 que se usan para obtener ATP en la fosforilación oxidativa o como fuentes de poder reductor para otros procesos, un ácido graso con dos carbonos menos que puede seguir oxidándose hasta convertirlo completamente en Acetil CoA (para número par de carbonos) o Varios Acetil CoA y una Succinil CoA (para número impar). 42

43 La oxidación se da en el carbono b (desprenden unidades de dos carbonos o acetilos). curre en la membrana interna de la mitocondria Secuencias parecidas se ha encontrado en el citosol que parecen estar asociadas al acortamiento de los ácidos grasos de cadena muy larga. La b-oxidación en plantas tiene un fin diferente. Se orienta más a la producción de Acetil CoA para su uso en la vía del glioxilato que para la producción de ATP. 43

44 Activación y Transporte a la Mitocondria El AG, en el citosol no atraviesa la membrana mitocondrial. Debe ser introducido con ayuda de un transportador. El transportador más común es la carnitina. Para unirlo a la carnitina, el ácido graso es previamente activado con un buen grupo saliente que facilita la unión de la carnitina. 44

45 Activación de AG 1 Adenilación 1 Acilación de CoA-SH 45

46 Activación Es catalizada por una sintetasa de acil-coenzima A conocida como tioquinasa. El ácido graso hace un ataque nucleofílico al fosfato a del ATP liberando pirofosfato y el adenilato de acilo. Una pirofosforilasa cataliza la hidrólisis del pirofosfato a fosfato para favorecer la reacción. P P P Adenosina Tioquinasa R 1 C P Adenosina R 1 C P P H 2 Pirofosforilasa 2 P H 46

47 La activación es catalizada por una sintetasa de acil-coenzima A conocida como tioquinasa. El carboxilo del adenilato de acilo es atacado por el tiol de la CoA liberando el AMP y la acil-coa. R 1 C P Adenosina CoA S H Tioquinasa P Adenosina H R 1 C S CoA La tioquinasa presenta tres formas: una para ácidos de 2 a 4 carbonos, otra para los de 4 a 12 carbonos y otra para los de 8 a 18 carbonos. 47

48 Resumen de la activación: 48

49 Transporte 2 Transferencia a carnitina 3 Transporte por membrana interna de mitocondria 4 Reconjugación con CoA 49

50 Transporte Una transferasa une el acilo a la carnitina El acilo se transfiere desde el átomo de azufre de la CoA al grupo hidroxilo de la carnitina. La acilcarnitina actúa como una lanzadera a través de la membrana interna. Acil CoA R 1 C S CoA Coenzima A CoA S H H - H CH 3 CH 3 R 1 C H CH 3 CH 3-2 C C C C N CH 3 Transferasa de acilo - 2 C C C C N CH 3 H H H H H H H H Carnitina Acil Carnitina 50

51 Una translocasa facilita la entrada del éster de carnitina hasta la membrana interna transportando simultáneamente una carnitina libre al exterior. En la membrana interna una transferasa vuelve a asociar el acilo a la coenzima A, liberando la carnitina. 51

52 Esquema del transporte 52

53 b-xidación 1 Deshidrogenación 2 Hidratación 3 Deshidrogenación 4 Escisión tiolítica, produce acetil-coa + acilgraso CoA 53

54 b-xidación: Ácidos Saturados Pares xidación de la acil Coenzima A 54

55 Hidratación de la Enoil Coenzima A 55

56 xidación de la Hidroxiacil Coenzima A 56

57 Escisión de la Cetoacil Coenzima A 57

58 b-xidación: Ácidos Saturados Pares Esquema General CoA-S-H H H H Tiolasa S - CoA R Acil n CoA R S - CoA Acil n-1 CoA S - CoA FTE-FAD FTE-FADH 2 Deshidrogenasa R S - CoA trans-2,3-enoil n CoA H 2 R H H 3-Cetoacil n CoA S - CoA Deshidrogenasa H + NADH NAD + R H H H H S - CoA L-3-Hidroxiacil n CoA Hidratasa 58

59 β-xidación: Para el ácido palmítico 59

60 β-xidación: Rendimiento energético Reacción Producción ATP Activación de palmitato a palmitoil-coa -2 xidación de 8 acetil-coa 8 x 12 = 96 xidación de 7 FADH 2 7 x 2 = 14 xidación de 7 NADH 7 x 3 = 21 Neto: Palmitato C 2 + H

61 xidación de ácidos grasos insaturados La mayoría de reacciones son las mismas de los ácidos grasos saturados. Son necesarias dos enzimas adicionales: 1. Isomerasa: manipular dobles enlaces posiciones impares. 2. Isomerasa y reductasa: manipular dobles enlaces posiciones pares. 61

62 xidación del leil-coa 62

63 63

64 xidación de ácidos grasos impares Se diferencia de la oxidación de los ácidos grasos pares en que al final de la degradación se produce propionil-coa y acetil-coa. El propionil-coa entra al ciclo del ácido cítrico mediante conversión a succionil-coa. La enzima mutasa del último paso utiliza la Vitamina B12 (cobalamina) como coenzima. 64

65 Conversión de propionil-coa a Succinil-CoA 65

66 66

67 67

68 68

69 69

70 70

71 71

72 72

73 73

74 74

75 75

76 Biosíntesis de lípidos 76

77 Introducción Se realiza en el citosol. La acetil-coa es el intermediario clave entre el metabolismo de las grasas y los carbohidratos. Las proteínas, los carbohidratos o las grasas pueden producir con facilidad Acetil-CoA. La Acetil-CoA impulsa la síntesis de ácidos grasos y triacilgliceroles. 77

78 Introducción 78

79 Sistema transporte de citrato La síntesis de ácidos grasos en el citosol requiere de Acetil- CoA producido en la mitocondria. La exportación de acetil CoA (que no atraviesa la membrana) se logra por el sistema de transporte de citrato. HC 3 - Una vez generado Acetil-CoA en el citosol se requiere etapas posteriores para regenerar el piruvato. 79

80 Sistema transporte de citrato 80

81 Biosíntesis de novo La segunda parte consiste en la carboxilación para formar malonil-coa y luego el ensamblado de los ácidos grasos: HC 3 - CH 3 C S CoA ADP, Pi, H + - C CH 3 C S CoA ACP CoA-SH - C CH 3 C S ACP Acetil-CoA Acetil-CoA Carboxilasa Malonil-CoA Malonil-CoA-ACP transacilasa Malonil-ACP CH 3 C S CoA Acetil-CoA ACP CoA-SH Acetil-CoA-ACP transacilasa CH 3 C S ACP Acetil-ACP 81

82 Biosíntesis de novo ❶ El primer paso es la formación de malonil-coa a partir de acetil-coa y bicarbonato, catalizada por la acetil-coa carboxilasa HC 3 - CH 3 C S CoA ADP, Pi, H + - C CH 3 C S CoA Acetil-CoA Acetil-CoA Carboxilasa Malonil-CoA 82

83 La acetil-coa carboxilasa tiene un cofactor de biotina, unido covalentemente mediante un grupo amino de lisina 83

84 Biosíntesis de novo - C CH 3 C S CoA ACP CoA-SH - C CH 3 C S ACP Malonil-CoA Malonil-CoA-ACP transacilasa Malonil-ACP CH 3 C S CoA Acetil-CoA ACP CoA-SH Acetil-CoA-ACP transacilasa CH 3 C S ACP Acetil-ACP 84

85 ❷ y ❸ los intermediarios de la síntesis de los ácidos grasos se activan mediante su unión al grupo prostético fosfopanteteína, mismo que se encuentra en la Coenzima A. Proteína acil acarreadora (ACP) 85

86 Biosíntesis de palmitato La enzima b-cetoacil-acp sintasa: cataliza la condensación. Se desprende ACP y C 2 Se acepta un acetilo, C2 86

87 La enzima b-cetoacil-acp reductasa: cataliza la reducción. Es dependiente de NADPH Convierte la cetona en alcohol 87

88 La enzima 3-hidroxiacil-ACP deshidrasa: cataliza la deshidratación Remueve agua con formación de un doble enlace 88

89 La enzima Enoil-ACP reductasa: cataliza la reducción. Dependiente de NADPH Forma un acil-acp, butiril-acp 89

90 Para iniciar el segundo ciclo, la butiril ACP reacciona con otra molécula de malonil-acp y el producto del segundo ciclo es la hexanoil- ACP. 90

91 El mismo patrón continúa hasta el producto del séptimo ciclo, la palmitoil-acp. Esta sufre una hidrólisis para producir palmitato y ACP 91

92 En la biosíntesis del palmitato las necesidades cuantitativas pueden deducirse de la estequiometría del proceso completo de siete ciclos. Acetil-CoA + 7 malonil-coa + 14NADPH + 20H + palmitato + 7C NADP + + 8CoA-SH + 6H 2 92

93 Para ver las necesidades de ATP, debemos considerar la biosíntesis de los 7 malonil-coa 7 Acetil-CoA + 7C 2 + 7ATP 7 malonil-coa + 7ADP + 7Pi + 7H + Proceso Global 8 Acetil-CoA + 7ATP + 14NADPH + 13H + palmitato + 14NADP + + 8CoA-SH + 6H 2 + 7ADP +7Pi 93

94 La ácido graso sintasa En bacterias la biosíntesis de ácidos grasos se realiza por 7 enzimas y ACP. En los mamíferos una cadena polipetídica sola contiene todas las actividades catalíticas y el grupo prostético incorporado a la proteína multifuncional. 94

95 Diferencias entre degradación y síntesis Los ácidos grasos son sintetizados y degradados por vías completamente separadas. Aunque la química de la síntesis y la degradación de los ácidos grasos es muy similar, las rutas presentan diferencias claves. 95

96 Comparación de oxidación de ácidos grasos y síntesis en mamíferos xidación Síntesis Localización Mitocondria Citosol Acarreador de acilo CoA Proteínas acilacarreadoras (ACP) Unidades de carbono C2 C2 Receptor/donador CoA (C2) Malonil CoA (C3, la reacción donadora produce C 2 ) Cofactores rédox móviles NAD +, ETF NADPH rganización de enzimas Enzimas independientes Una enzima multifuncional 96

97 97

98 En biosíntesis, el ácido se une a la proteína transportadora de acilo (ACP) formando un tioéster. En degradación, el ácido va unido a una Coenzima A. 98

99 99

100 La unidad saliente en degradación es acetil- CoA, la que entra en síntesis es la malonil- CoA. 100

101 101

102 La reacción redox sobre el carbonilo es llevada a cabo por NADPH en síntesis y por NAD + en degradación. 102

103 103

104 En degradación el FAD participa en la reacción de formación del enoilo, en síntesis el enoilo es reducido por NADH o NADPH. 104

105 105

106 En síntesis tanto la enzima reductora del cetoacilo como la deshidratasa del hidroxiacilo son específicas para el isómero D-(+), mientras que el isómero normal de la degradación es el L-(-). 106

107 Biosíntesis de Triacilgliceroles y Fosfolípidos 107

108 Biosíntesis La esterificación se hace a partir de acilos de coenzima A. La vía mayoritaria es la del glicerol-3-p que genera entre 75 y 80% de los triglicéridos producidos. La vía de la dihidroxiacetona-p se encuentra principalmente en el hígado. 108

109 Biosíntesis Formación de los ácidos fosfatídicos. Estos son ésteres 1-sn o 2-sn del glicerol-3-p 109

110 Biosíntesis H CH 2 H C H CH 2 H Glicerol ATP ADP CH 2 H H C H quinasa 2- CH 2 P 3 Glicerol-3-fosfato R C S CoA HS CoA CH 2 C R H C H 2- CH 2 P 3 1-sn-monoacil glicerol-3-fosfato deshidrogenasa C H C NAD + NADH H H R C CH 2 H C H 2- CH 2 P 3 2-sn-monoacil glicerol-3-fosfato CH 2 P 3 2- Gliceraldehído-3-fosfato 110

111 Biosíntesis Vía de la dihidroxiacetona fosfato. R CH 2 H C 2- CH 2 P 3 Dihidroxiacetona fosfato C S CoA Aciltransferasa HS CoA CH 2 C R NADPH NADP + C 2- CH 2 P 3 acil dihidroxiacetona fosfato CH 2 C R H C H deshidrogenasa CH 2 H 1-sn-monoacil glicerol-3-fosfato Requiere de la aciltransferasa que cataliza la escenificación 111

112 Biosíntesis Formación de 1,2-sn-diglicéridos CH 2 C R C H 2- CH 2 P 3 1-sn-monoacil glicerol-3-fosfato HS CoA R 2 C S CoA Aciltransferasa R 2 C CH 2 C R C H 2- CH 2 P 3 1,2-sn-diacil glicerol-3-fosfato 112

113 Biosíntesis de Triacilgliceroles btención de triacilglicérido R 2 C CH 2 C R C H 2- CH 2 P 3 1,2-sn-diacil glicerol-3-fosfato H 2 Fosfatidato fosfatasa Pi R 2 C CH 2 C R C H CH 2 H 1,2-sn-diacil glicerol R 2 C CH 2 C H CH 2 H C R R 3 C S CoA CH 2 C Aciltransferasa R 2 C C H CH 2 C R R 3 1,2-sn-diacil glicerol HS CoA 1,2,3-sn-triacil glicerol Se forma el 1,2-diacilglicerol mediante una fosfatasa y luego la acilación por medio de Acetil-CoA y aciltransferasa como enzima 113

114 Biosíntesis de Fosfoglicéridos btención de fosfatidilserina R 2 CH 2 C R C C H 2- CH 2 P 3 1,2-sn-diacil glicerol-3-fosfato CTP Citidiltransferasa R 2 PPi C CH 2 C C H CH 2 -CDP CDP-diacilglicerol R - CH 2 C R C R 2 C C H + H 3 N + C H CH 2 CDP CH 2 H Serina 1,2,-sn-diacil-3-sn-difosfocitidil glicerol Sintasa CH 2 C R R 2 C C H CH 2 P CH 2 C CMP - H Fosfatidilserina NH 3 + C - El grupo citidilo es transferido como precursor de la cabeza polar de los fosfolípidos 114

115 Qué es mejor un grupo de enzimas o un complejo? Nuestras maquina de fabricar ácidos grasos es muy eficiente. La desventaja es que la maquinaria esta diseñada para producir principalmente ácido palmítico. En cambio en las bacterias y plantas pueden utilizar otras enzimas se añaden a la colección para producir una gran variedad de ácidos grasos ácido graso sintasa Fuente: PDB 115

116 Acetilcolina y Alzheimer Acetilcolina = neurotransmisor. 116

117 117

118 En Alzheimer hay una marcada disminución de la acetilcolina. Los inhibidores de la enzima que destruye la acetilcolina es el tratamiento actual, se les llama inhibidores de la colinesterasa. 118

119 119

120 120