12A. DEGRADACIÓN DE ÁCIDOS GRASOS
1. (a) ¿Cuáles son las tres funciones fisiológicas principales de los ácidos grasos?
1º.Son bloques constructores de fosfolípidos y glicolípidos (componentes de las membranas biológicas), 2º muchas proteínas son modificadas por la unión covalente de ácidos grasos, los cuales los dirigen a la localización de membrana,
3º se almacenan como triglicéridos (ésteres de glicerol sin carga) y
4º. los derivados de los ácidos grasos sirven como hormonas y mensajeros intracelulares. (b) ¿Cuál es el sitio principal de almacenamiento de los triglicéridos?
Los adipocitos que forman el tejido adiposo.
(c) ¿Cuáles son los productos de hidrólisis de los triglicéridos, que enzima los hidroliza y cómo se regula esta reacción?
Los ácidos grasos y el glicerol. La enzima es la lipasa de triglicéridos, la cual es regulada hormonalmente. La epinefrina, la norepinefrina, el glucagon y la hormona adrenocorticótropica activan a la adenilato ciclasa en el tejido adiposo. El aumento en el nivel de AMPc estimula la proteína cinasa A, la cual activa a la lipasa por fosforilación.
De esta forma, las hormonas arriba mencionadas inducen la lipólisis. El AMPc es el segundo mensajero en la activación de la lipólisis y de la activación del rompimiento de glucógeno. Por el contrario, la insulina inhibe la lipólisis.
(d) ¿ La enzima glicerol cinasa está presente en el tejido adiposo?
El glicerol formado por lipólisis es fosforilado (por glicerol cinasa) y oxidado (por glicerol fosfato deshidrogenasa) a dihidroxiacetona fosfato, el cual, a su vez, es isomerizado a gliceraldehído 3 fosfato. Este intermediario puede seguir la glicólisis o la gluconeogénesis. Esto no se puede llevar a cabo en el tejido adiposo porque carece de la enzima glicerol cinasa.
Esto se lleva a cabo en el hígado. El proceso inverso puede ocurrir por la reducción de dihidroxiacetona fosfato a glicerol 3 fosfato. Este es un intermediario clave para la síntesis de triglicéridos.
(e) ¿Cuál es la consecuencia fisiológica de este hecho?
Que el tejido adiposo necesita glucosa para sintetizar glicerol 3-fosfato y así sintetizar triglicéridos. En otras palabras, no puede usar el glicerol para sintetizar glicerol 3-fosfato, sino que este debe venir de la reducción del intermediario glicolítico dihidroxiacetona fosfato.
2. (a) ¿Cómo y en que sitio de la célula se activan los ácidos grasos antes de su degradación?
Se activan en la membrana externa mitocondrial en una reacción catalizada por acil CoA sintetasa o tiocinasa de ácidos grasos. El ATP impulsa la formación de un enlace tioéster entre el grupo carboxilo del ácido graso y el grupo SH de CoA.
(b) ¿Qué reacción cataliza la tiocinasa?
Ácido graso + ATP + HS-CoA ⇔ Acil CoA + AMP + PPi
Esta reacción toma lugar en dos pasos:
Ácido graso + ATP ⇔ Acil-adenilato + PPi
Acil adenilato + HS-CoA ⇔ Acil CoA + AMP
Por lo tanto, podemos decir, que se gastan dos moléculas de ATP en la activación de los ácidos grasos, los cuales se tienen que considerar para calcular la cantidad de ATP (rendimiento neto) que se produce por la oxidación de lo ácidos grasos.
Ácido graso + ATP + HS-CoA ⇒ Acil CoA + AMP + 2Pi
(c) ¿Qué papel tiene la carnitina y la carnitina aciltransferasa en el transporte de los ácidos grasos al interior de la mitocondria?
Los ácidos grasos son activados en la membrana externa mitocondrial y son oxidados en la matriz mitocondrial. Las largas cadenas de acil CoA no atraviesan la membrana interna mitocondrial por lo que requieren un mecanismo especial de transporte.
Estas moléculas activadas se conjugan a carnitina, un compuesto zwiteriónico formado a partir de lisina. El grupo acilo es transferido del átomo de azufre de CoA al grupo hidroxilo de carnitina para formar acil carnitina.
La reacción es catalizada por carnitina aciltransferasa I, la cual está unida a la parte externa de la membrana interna mitocondrial.
La acilcarnitina es transportada entonces a través de la membrana interna mitocondrial por una translocasa (también conocida como transportador acilcarnitina/carnitina). El grupo acilo es transferido nuevamente a la CoA del lado de la matriz.
Esta reacción es catalizada por carnitina acil transferasa II (localizada en la parte interna de la membrana interna mitocondrial), es termodinámicamente posible porque el enlace O-acilo tienen un alto potencial de transferencia de grupo.
(d) ¿Cómo se le llama al proceso de oxidación de los ácidos grasos y en donde se lleva a cabo? Se le llama β-oxidación y se realiza en la matriz mitocondrial.
(e) Describa las 4 reacciones consecutivas que se llevan a cabo de manera cíclica para oxidar completamente a un ácido graso.
(1) Deshidrogenación enlazada a FAD (acil CoA deshidrogenasa). (2) Hidratación (trans Δ2 enoil CoA hidratasa)
(3) Deshidrogenación enlazada a NAD (L-3 hidroxiacil CoA deshidrogenasa) (4) Tiólisis (β-ceto tiolasa)
(f) ¿Cuáles son las reacciones en el ciclo de Krebs análogas a las de la β-oxidación? La secuencia Acil CoA ⇒ Enoil CoA ⇒ hidroxiacil CoA ⇒cetoacil CoA
es similar a:
succinato ⇒ fumarato ⇒ malato ⇒ oxaloacetato (g) ¿Cuál es la ecuación balanceada para la degradación de palmitato? Palmitoil CoA + 7 FAD + 7 NAD+ + 7 CoA + 7 H2O
⇒
8 AcCoA + 7 FADH2 + 7 NADH + 7 H+
Para calcular la cantidad de ATP que se produce de la reacción anterior, se considera que la oxidación de NADH produce 3 ATP, la de FADH2 2 ATP y la de AcCoA 12 ATP. Por lo tanto, 8x12 = 96, 7x3 =21 y 7x2=14. Esto resulta en 131 ATP, que al restarle los dos moléculas de ATP usadas en la activación, quedan 129 ATP.
(h) Explique cómo afecta el rendimiento de ATP si se oxida un ácido graso insaturado.
Disminuye la producción de 3 ATP, ya que deja de producirse un 1 NADH por cada doble enlace.
3.
(a) ¿Qué reacciones adicionales se requieren para oxidar un ácido graso insaturado?La mayoría de los ácidos grasos en los triglicéridos y en los fosfolípidos de los animales y plantas están insaturados, tienen uno o mas dobles enlaces. Estos enlaces están en la configuración cis y no son sustrato de la enzima enoil CoA hidratasa, la enzima que cataliza la adición de agua al enlace trans Δ2 enoil CoA generado durante la β-oxidación.
Como ejemplo para ilustrar lo anterior pondremos la oxidación del oleato, un ácido graso monoinsaturado de 18 carbones con un doble enlace cis entre C-9 y C-10 (llamado Δ9). Oleil CoA sufre tres ciclos de oxidación para producir tres moléculas de acetil CoA y el éster de coenzima A de un Δ3, ácido graso insaturado de 12 átomos de carbono, cis-Δ3-dodecanoil CoA.
Este producto no es sustrato de la siguiente enzima de la β-oxidación, enoil CoA hidratasa, la cual actúa solo sobre dobles enlaces trans. Sin embargo, por la acción de la enzima auxiliar, enoil CoA isomerasa, el cis Δ3 enoil CoA es isomerizado a trans-Δ2-enoil CoA, el cual es convertido por enoil CoA hidratasa en el L-β-hidroxiacil correspondiente (trans-Δ2-dodecanoil CoA).
Este intermediario es ahora sustrato de las enzimas restantes de la β-oxidación para producir acetil CoA y un ácido graso saturado de 10 carbones como éster de coenzima A (decanoil-CoA). El último sufre cuatro paso mas de oxidación para producir en total 9 acetil CoA de una molécula de 18 átomos de carbono. La otra enzima adicional (una reductasa) se requiere para la oxidación de un ácido graso de poliinsaturado. Como ejemplo, tomaremos el linoleato de 18 átomos de carbono, el cual tiene una configuración cis-Δ9, cis-Δ12.
El linoeil sufre tres pasos de oxidación a través de la secuencia de β-oxidación para producir 3 moléculas de acetil CoA y el éster de coenzima A de un ácido graso insaturado de 12 carbones con una configuración cis-Δ3, cis Δ6. Este intermediario no puede usarse por la enzima de la vía de la β-oxidación, su doble enlace está en la configuración diferente configuración equivocada (cis y no trans).
Sin embargo, la acción combinada de enoil CoA-isomerasa y de 2,4 dienoil CoA reductasa permiten la entrada de este intermediario a la vía normal de la β-oxidación y su degradación a 6 Acetil-CoA. El resultado es la conversión de linoleato a 9 moléculas de acetil CoA.
En detalle, el compuesto cis Δ3, cis Δ6 es isomerizado por enoil-CoA isomerasa a trans Δ2 cis Δ6
2. En seguida se lleva a cabo un ciclo de la β-oxidación y la primera oxidación de un siguiente ciclo, para formar el compuesto trans Δ2, , cis Δ4.
3. Este compuesto es reducido por la enzima 2-4, dienoil CoA reductasa usando como sustrato el NADPH. El producto formado es un trans Δ3.
4. Este compuesto es isomerizado por la enzima enoil CoA isomerasa para dar un trans Δ2. 5. Este compuesto sufre 4 ciclos mas de oxidación para producir 5 moléculas de acetil CoA.
NOTA: Hasta hace muy poco se aceptaba, generalmente, que el intermediario 2,4-dienoil-CoA era un sustrato para la enoil CoA hidratasa, cuyo producto de reacción, el cis-Δ2-enoil-CoA, era convertido por enoil CoA hidratasa a 3-D-hidroxiacil-CoA. Este isómero D no es un sustrato de la β-oxidación, pero se pensaba que era convertido por 3-OH acil-CoA epimerasa a su esteroisómero L el cual era metabolizado normalmente.
El hallazgo de que esta epimerasa está localizada en los peroxisomas y no en la mitocondria, combinado con el descubrimiento de la 2,4 dienoil CoA reductasa, ha conducido a la postulación de la vía descrita anteriormente.
(b) ¿Qué tipo de ácidos grasos da lugar a propionil CoA como producto de oxidación? Ácidos grasos de cadena impar
(c) ¿Qué enzimas y coenzimas se requieren para metabolizar propionil CoA a succinil CoA? Se requiere de:
1. propionil CoA carboxilasa, una enzima dependiente de biotina y que convierte el propionil CoA en D-metilmalonil-CoA.
Propionil-CoA + HCO3=- + ATP à D-metilmalonil-CoA + AMP + PPi
2. También se requiere de metil malonil CoA epimerasa, que convierte el D-metilmalonil CoA en L metil malonil CoA y
D-metilmalonil-CoA ßà L-metilmalonil CoA
3.L-metilmalonil CoA mutasa que convierte el L-metilmalonil CoA en succinil CoA. Esta mutasa es una de las dos enzimas de los mamíferos que requiere un derivado de vitamina B12 como coenzima (desoxianeosilcobalamina o coenzima B12).
L-metilmalonil-CoA ßà succinil CoA
(d) ¿Se puede decir que los ácidos grasos de cadena impar son glucogénicos? ¿por qué?
Sí, porque producen propionil CoA que se puede convertir en succinil CoA y este a su vez en oxaloacetato, el cual es un sustrato gluconeogénico.
4 (a) ¿Por qué los animales no pueden sintetizar glucosa a partir de los ácidos grasos con un número par de átomos de carbono?
Los ácidos grasos con un número par de átomos de carbono producen solo acetil CoA. Porque la reacción de piruvato deshidrogenasa es irreversible y porque durante el ciclo de Krebs se pierden dos átomos de carbono (por descarboxilaciones).
(b) Explique cuál es el papel de malonil-CoA, de una relación [NADH]/[NAD+] elevada y de altos niveles
de acetil CoA sobre la regulación de la degradación de ácidos grasos.
La [malonil CoA], el primer intermediario de la biosíntesis citosólica de ácidos grasos, aumenta cuando el animal tiene abundancia de carbohidratos, el exceso de glucosa que no puede ser oxidado o almacenado como glucógeno se convierte en el citosol en ácidos grasos para almacenamiento como TG.
La inhibición de carnitina aciltransferasa I por malonil CoA, asegura que la oxidación de los ácidos grasos se inhiba en hígado si este tiene abundancia de glucosa.
Otras dos enzimas de la β-oxidación son también reguladas por metabolitos que indican suficiencia de energía. Cuando el cociente [NADH]/[NAD+] es elevado, la enzima
β-hidroxiacil CoA deshidrogenasa es inhibida; finalmente, las altas concentraciones de acetil CoA inhiben a la tiolasa.
(c) OPCIONAL ¿Cuál es el papel biológico de la β-oxidación en los peroxisomas y en los glioxisomas? La oxidación de los ácidos grasos en las plantas ocurre en los peroxisomas de los tejidos de las hojas y en los glioxisomas de las semillas en germinación. Estos organitos son similares en estructura y función. Los
glioxisomas están presente solo en las semillas en germinación y se pueden considerar peroxisomas especializados.
En las plantas, el papel biológico de la β-oxidación es peroxisomas y glioxisomas es claro; proporciona precursores biosintéticos a partir de los lípidos almacenados. En las plantas, la β-oxidación no es una fuente importante de energía metabólica, de hecho las mitocondrias de las plantas no contiene las enzimas de la β-oxidación.
(d) OPCIONAL ¿Cuál es el destino de los triglicéridos en las semillas en germinación?
Durante la germinación, los triglicéridos almacenados son convertidos en glucosa y en una amplia variedad de metabolitos esenciales. La acetil CoA producida es convertida en oxaloacetato por medio del ciclo de glioxilato
5 (a) ¿Cuáles son los cuerpos cetónicos, cuál es la vía de síntesis y el sitio intracelular y el tejido donde se sintetizan?
En los sujetos humanos y en la mayoría de los mamíferos, la acetil CoA formada en el hígado durante la oxidación de los ácidos grasos puede entrar al ciclo de Krebs, o puede ser convertida en “cuerpos cetónicos”: acetoacetato, β-hidroxibutirato y acetona para exportarlos a otros tejidos (estos compuestos son solubles en plasma y orina). La acetona, producida en cantidades mas pequeñas que los otros dos, es exhalada.
El acetoacetato y el β-hidroxibutirato son transportados por la sangre a los tejidos extrahepáticos donde son oxidados vía el ciclo del ácido cítrico para proporcionar mucho de la energía requerida por los tejidos como músculo cardíaco y esquelético y la corteza renal. El cerebro, que usa glucosa preferentemente como combustible, puede adaptarse para usar acetoacetato o β-hidroxibutirato bajo condiciones de ayuno, cuando la glucosa no está disponible.
(b) ¿En que condiciones se sintetizan los cuerpos cetónicos y por qué se dice que son formas solubles de acetil-CoA?
La disponibilidad de oxaloacetato determina si acetil CoA, en las mitocondrias de hígado entra al ciclo del ácido cítrico. Bajo algunas condiciones (por ejemplo el ayuno) el OA fluye para sintetizar glucosa. Cuando la [OA] es muy baja, entra muy poca acetil CoA al ciclo, y se favorece la formación de cuerpos cetónicos. La producción y exportación de cuerpos cetónicos del hígado a los tejidos extrahepáticos permite la oxidación continua de ácidos grasos en el hígado cuando la acetil CoA no se está oxidando vía el ciclo de Krebs. La sobreproducción de cuerpos cetónicos puede ocurrir en condiciones de severa inanición y en la diabetes descontrolada.
El primer paso en la formación de acetoacetato en el hígado, es la condensación enzimática de dos moléculas de acetil CoA, catalizada por tiolasa, lo cual es simplemente la reversa del último paso de la β -oxidación.
2 acetil CoA ßà acetoacetil CoA + CoA-SH
El acetoacetil, se condensa con AcCoA para formar β-hidroxi-β-metilglutaril-CoA (HMG-CoA) (catalizado por HMG CoA sintasa), el cual se rompe en acetoacetato libre y acetil CoA.
Acetoacetil CoA + acetil CoA + H2O ßà HMG CoA + CoA HMG CoA à AcCoA + acetoacetato
Acetoacetato + NADH + H+ßà
D-β-OH butirato
El acetoacetato también puede descarboxilarse a acetona por medio de la acetoacetato descarboxilasa. Acetoacetato à acetona + CO2
Debido a que la diabetes no tratada producen grandes cantidades de acetoacetato, su sangre contiene cantidades significativas de acetona, la cual es tóxica. La acetona es volátil e imparte un olor característico a la respiración, lo cual, algunas veces es útil en el diagnóstico de la severidad de la enfermedad.
(c) ¿Cuál es su función fisiológica y cuáles enzimas están involucradas en su utilización en los tejidos periféricos?
En los tejidos extrahepáticos, el D-β-hidroxibutirato es oxidado a acetoacetato, por D-β-hidroxibutirato deshidrogenasa.
D-β-OH butirato +NAD+ßà Acetoacetato + NADH + H+
El acetoacetato es activado para formar su CoA éster por la transferencia de CoA derivada de succinil CoA, en una reacción catalizada por β-cetoacil-CoA transferasa. el acetoacetil CoA es roto por tiolasa para producir dos moléculas de acetil CoA, las cuales entran al ciclo de Krebs.
Acetoacetato + succinil CoA à acetoacetil CoA + succinato acetoacetil CoA + CoA à 2 acetil CoA
(c) ¿Cuál es la consecuencia de que el hígado carezca de la enzima transferasa de CoA?
De que el hígado no puede usar los cuerpos cetónicos que produce como combustible y de esta manera los exporta.
12B. SÍNTESIS DE ÁCIDOS GRASOS
1. (a) Describa la reacción catalizada por la enzima acetil CoA carboxilasa ¿cuántas subunidades tiene esta proteína y cuál es el papel de la biotina?
Es la formación irreversible de malonil CoA a partir de acetil CoA. Tiene tres regiones funcionales: la proteína acarreadora de biotina; la biotina carboxilasa (la cual activa el CO2 uniéndolo al nitrógeno en el anillo de biotina en una reacción dependiente de ATP), y la transcarboxilasa (la cual transfiere el CO2 activado de la biotina a la acetil CoA produciendo malonil CoA).
La biotina es el grupo prostético, la cual está unida covalentemente en un enlace amida al grupo ε-amino de un residuo de lisina de la proteína acarreadora de biotina. La reacción de dos pasos es muy similar a otras reacciones de carboxilación dependientes de biotina. El grupo carboxilo, derivado del bicarbonato, es transferido primero a la biotina en una reacción dependiente de ATP.
El grupo biotinil sirve como un acarreador temporal de CO2, transfiriéndolo a acetil CoA en el segundo paso para producir malonil CoA. La acetil CoA carboxilasa de las bacterias tiene tres subunidades polipeptídicas separadas. En las plantas y en los animales, las tres actividades son parte de un polipéptido multifuncional.
Enzima-biotina + HCO3- + ATP à Enzima-biotina-CO2 + ADP + Pi Enzima-biotina-CO2 + acetil-CoA à malonil CoA + Enzima-biotina (b) ¿Qué otras enzimas requieren de biotina?
Piruvato carboxilasa y propionil CoA carboxilasa.
(c) ¿Cómo se regula la acetil CoA carboxilasa; cuál es el efecto de palmitoil-CoA, citrato, glucagon, epinefrina, AMP e insulina? ¿Cuál es la relación entre la forma filamentosa y protomérica de esta enzima con su actividad?
El exceso de combustible es convertido a ácidos grasos y almacenado en forma triglicéridos. La reacción catalizada por acetil CoA carboxilasa es el paso limitante en la biosíntesis de los ácidos grasos, y es un sitio importante de regulación.
En los vertebrados, el palmitoil CoA, el producto principal de la síntesis de ácidos grasos, actúa como un inhibidor de retroalimentación de la enzima, y el citrato es un activador alostérico. Cuando hay un aumento de la concentración de acetil CoA mitocondrial y de ATP, el citrato es transportado fuera de la mitocondria y se convierte en un precursor de acetil CoA citosólica y en una señal alostérica para la acetil CoA carboxilasa. El palmitoil CoA también inhibe a la traslocasa que exporta citrato al citosol así como a la glucosa 6 fosfato deshidrogenasa de la vía de las pentosas.
La acetil CoA carboxilasa se regula también por alteración covalente. La fosforilación disparada por las hormonas glucagon y epinefrina la inactivan y de esta manera disminuye la síntesis de ácidos grasos. Estas hormonas activan a la proteína cinasa A, la cual fosforila a la enzima. El AMP también inactiva a la enzima por medio de una fosforilación, solo que esta es mediada por una cinasa de proteínas dependiente de AMP (independiente de AMPc) e inhibida por ATP.
El grupo fosfato sobre la carboxilasa inhibida es removido por la proteína fosfatasa 2A. Se piensa que la insulina activa a la acetil CoA carboxilasa al estimular a esta proteína fosfatasa. En su estado desfosforilado (activo), la acetil CoA carboxilasa se polimeriza en filamentos largos, la fosforilación se acompaña por la disociación en subunidades monoméricas y en pérdida de la actividad.
La enzima de las plantas y bacterias no se regula por citrato o por ciclos de fosforilación-desfosforilación.
sino que su papel primario es proporcionar precursores para la síntesis de lípidos de membrana, y la regulación de este proceso es compleja, involucrando ciertos nucleótidos de guanina que coordinan el crecimiento con la formación de las membranas.
(d) Describa como se regulan las enzimas que producen acetil CoA: piruvato deshidrogenasa y citrato liasa y que por lo tanto están involucradas en la síntesis de ácidos grasos.
Ambas enzimas son activadas por insulina, a través de una cascada de fosforilación. La insulina y el glucagon son liberados en respuesta a la concentración de glucosa circulante. Si la síntesis de ácidos grasos y la β-oxidación ocurrieran simultáneamente, los dos procesos constituirían ciclos inútiles en donde se desperdiciaría la energía. Ya vimos anteriormente que la β-oxidación es bloqueada por malonil CoA, que inhibe la carnitina aciltransferasa I. Por lo tanto, durante la síntesis de ácidos grasos, el malonil CoA inhibe la β-oxidación al nivel del sistema de transporte en la membrana interna mitocondrial. 2. (a) Describa al complejo de la sintasa de ácidos grasos.
El complejo de E. coli tiene siete sitios activos diferentes, son siete cadena polipeptídicas diferentes que están fuertemente asociadas en un complejo único y organizado. Esta misma organización se presenta en el complejo de las plantas.
Las proteínas actúan juntas para catalizar la formación de ácidos grasos a partir de acetil CoA y de malonil CoA. A través de todo el proceso los intermediarios permanecen covalentemente unidos a uno de los tioles del complejo. Un punto de unión es el grupo SH del residuo de Cis en una de las siete proteínas (β -cetoacil-ACP sintasa); el otro es el grupo SH de la proteína acarreadora de acilos, con la cual el intermediario acilo de la síntesis de ácidos grasos a partir de un tioéster.
Las sintasas de ácidos grasos de las levaduras y de los vertebrados son también un complejo multienzimático, pero su integración es aún mas completa que el de E. coli y plantas. En las levaduras, las siete diferentes actividades residen solo en dos grandes polipéptidos multifuncionales y en los vertebrados en un solo polipéptido (240,000) que contiene todas las actividades enzimáticas así como una actividad hidrolítica que rompe el ácido graso de la parte parecida a ACP del complejo enzimático. La forma activa de esta proteína multifuncional es un dímero (PM 480,000).
PROTEÍNAS DEL COMPLEJO DE LA SINTASA DE ÁCIDOS GRASOS
PROTEÍNA PAPEL
Proteína acarreadora de acilos (ACP) Acarrea grupos acilo en un enlace tioéster
Acetil-CoA-ACP transacetilasa (AT) Transfiere grupos acilo de CoA al residuo cisteína de KS Malonil-CoA-ACP transferasa (MT) Transfiere grupos malonilo de CoA a ACP
β-cetoacil-ACP sintasa (KS) Condensa grupos acilo y malonilo
β-cetoacil-ACP reductasa (KR) Reduce un grupo β-ceto a un grupo β-OH
β-hidroxiacil-ACP deshidratasa (HD) Remueve H2O de β-hidroxiacil-ACP, produciendo un doble enlace.
Enoil-ACP reductasa (ER) Reduce un doble enlace, formando acil-ACP saturada. (b) ¿Cuáles son las reacciones que se repiten cíclicamente en la síntesis de ácidos grasos?
1. condensación (β-cetoacil-ACP sintasa, KS), acetil CoA + malonil CoA à CO2 + β-ceto
2. reducción (β-cetoacil-ACP reductasa KR), β-ceto + NADPH + H àβ-OH+ NADP+
3. deshidratación (β-hidroxiacil-ACP deshidratasa, HD) y β-OH à H2O à trans doble enlace
4. reducción (Enoil-ACP reductasa, ER). Trans doble enlace + NADPH + H+à sat + NADP+
(c) ¿Cuál es grupo prostético de la proteína acarreadora de acilos y en que otra coenzima está presente? La proteína acarreadora de acilos es una proteína pequeña (PM 8,860) que tiene un grupo prostético llamado 4’ fosfopanteteína, un intermediario en la síntesis de coenzima A. El tioéster que enlaza ACP al
grupo acilo graso tiene una alta energía libre de hidrólisis, y la energía liberada cuando se hidroliza este enlace ayuda a hacer la primera reacción de la síntesis de ácidos grasos, la condensación, termodinámicamente favorable.
Se piensa que el grupo prostético 4’ fosfopanteteína de ACP sirve como un brazo flexible, atando la cadena creciente de acilo graso a la superficie del complejo de la sintasa de ácidos grasos y llevando los intermediarios de la reacción de un sitio activo de la enzima al siguiente.
(d) ¿A partir de que extremo crece la cadena de ácidos grasos y de que moléculas provienen los carbonos del ácido graso?
La cadena crece a partir del extremo metilo (en contra de la β-oxidación que empieza del extremo carboxilo). En última instancia, todos los carbonos provienen de AcCoA, debido a que malonil CoA se sintetiza a partir de AcCoA. Los carbones 15 y 16 provienen directamente de Ac CoA y los carbones 1-14 provienen directamente de malonil CoA.
3. (a) ¿Cómo se transporta AcCoA de la mitocondria al citosol para la síntesis de ácidos grasos, qué reacción cataliza la enzima citrato liasa y en que parte de la célula se lleva a cabo, y qué reacción cataliza la enzima malato deshidrogenasa citosólica?
La síntesis de ácidos grasos en los mamíferos se lleva a cabo exclusivamente en el citosol (la sintasa de ácidos grasos está presente en el citosol, así como las enzimas de la síntesis de nucleótidos y aminoácidos).
En los hepatocitos, el cociente [NADPH]/[NADP+] es muy elevado (aprox. 75) proporcionando un ambiente reductor potente para la síntesis reductora de ácidos grasos y otras biomoléculas. Debido a que el cociente citosólico [NADH]/[NAD+] es mucho menor (aprox. 8x10-4), el catabolismo oxidativo de la glucosa dependiente de NAD+ puede ocurrir en el mismo compartimiento, al mismo tiempo que la síntesis de ácidos grasos. En la matriz mitocondrial el cociente [NADH]/[NAD+] es mucho mas alto, lo que favorece la reducción del oxígeno.
En los eucariontes no fotosintéticos, casi toda la AcCoA usada en la síntesis de ácidos grasos se forma dentro de la mitocondria a partir de la oxidación de piruvato y del catabolismo del esqueleto de carbonos de los aminoácidos. La acetil CoA que proviene de la oxidación de ácidos grasos no representa una fuente significativa de acetil CoA para la biosíntesis de ácidos grasos en animales debido a que las dos vías se regulan recíprocamente.
Debido a que la membrana interna mitocondrial es impermeable a acetil CoA, un sistema indirecto transfiere los grupos acetilo equivalente a través de la membrana interna.
La acetil CoA intramitocondrial reacciona primero con oxaloacetato para formar citrato, en la reacción del ciclo de Krebs catalizada por citrato sintasa. El citrato pasa entonces al citosol a través del transportador de tricarboxilato de la membrana interna mitocondrial.
En el citosol, el citrato se rompe por medio de la citrato liasa, lo cual regenera a acetil CoA. Esta reacción es impulsada por la hidrólisis del ATP. El OA no puede retornar a la matriz mitocondrial directamente, pues no hay un sistema de transporte para él.
El OA es reducido a malato por la malato deshidrogenasa citosólica. El malato regresa a la matriz mitocondrial por el transportador malato-α-cetoglutarato en intercambio por citrato, y es reoxidado a OA para completar el ciclo. De una manera alternativa, el malato producido en el citosol, es usado para producir NADPH a través de la actividad de la enzima málica. El piruvato, producto de la reacci+ón anterior, reingresa a la mitocondria.
(b) ¿De dónde proviene el NADPH para la síntesis de ácidos grasos?
De la reacción de la enzima málica y de la vía de las pentosas. Ambas ocurren en citosol. (c) ¿Qué reacción cataliza la enzima málica y cuál es su localización subcelular?
Malato + NADP+ à piruvato + NADPH + H+ + CO2
En adipocitos, el NADPH citosólico es generado por la vía de las pentosas y por la enzima málica. El piruvato producido en esta reacción regresa a la mitocondria.
En los hepatocitos y en la glándula mamaria de los animales que están amamantando, el NADPH requerido para la biosíntesis de ácidos grasos es proporcionado principalmente por las reacciones de la vía de las pentosas.
(d) ¿Cuál es la ecuación balanceada para la síntesis de palmitato a partir de acetil CoA? Puede dividirse en dos partes: Primero, la formación de 7 moléculas de malonil CoA
7 acetil CoA + 7 CO2 + 7 ATP à 7 malonil CoA + 7 ADP + 7 Pi Segundo, los siete ciclos de condensación y reducción
AcCoA + 7 malonil CoA + 14 NADPH + 14H+à palmitato + 7CO
2 + 8CoA + 14 NADP+ + 6H2O La suma de ambas reacciones es:
7 acetil CoA + 7 ATP + 14 NADPH + 14H+à palmitato + 8CoA + 6H
2O + 7ADP + 7Pi + 14 NADP+
(e) OPCIONAL ¿Cómo se sintetizan los ácidos grasos de mas de 16 átomos de carbono a partir de palmitato?
El palmitato puede elongarse para formar estearato (18:0) o aún ácidos grasos saturados mas largos por adiciones de grupos acetilo, a través de sistemas de elongación de ácidos grasos presentes en el retículo endoplásmico liso y en la mitocondria.
El sistema de elongación más activo del retículo endoplásmico extiende la cadena de 16 carbonos de palmitoil CoA en dos carbonos, formando estearoil CoA.
Aunque están involucrados diferentes sistemas de enzimas, y la coenzima A, y no ACP, es el acarreador de acilos involucrado directamente en la reacción, el mecanismo de elongación es idéntico al empleado en la síntesis de palmitato: donación de dos carbonos por malonil CoA, seguido por reducción, deshidratación, y reducción al producto de 18 átomos de carbono saturado estearoil CoA.
(f) OPCIONAL ¿Cómo se introducen las dobles ligaduras a los ácidos grasos saturados?
El palmitato y el estearato son los precursores de los dos ácidos grasos monoinsaturados mas comunes de los tejidos animales: palmitoleato, 16:1(Δ9), y oleato, 18:1(Δ9). Cada uno de éstos ácidos grasos tiene un doble enlace sencillo cis en posición Δ9 (entre los C-9 y C-10).
El doble enlaces es introducido en la cadena de ácidos grasos por una reacción oxidativa catalizada por acilo graso - CoA desaturasa. Esta enzima es un ejemplo de oxidasa de función mixta.
Dos sustratos diferentes, el ácido graso y el NADPH sufren simultáneamente oxidaciones de 2 electrones. La vía del flujo de electrones incluye un citocromo (cit b5) y una flavoproteína (cit b5 reductasa), las cuales, como la acilo graso CoA desaturasa, están presentes en el retículo endoplásmico liso.
Los hepatocitos de los mamíferos pueden introducir rápidamente dobles enlaces en la posición Δ9 de los ácidos grasos pero no pueden introducir dobles enlaces adicionales en las cadenas de ácidos grasos entre el C-10 y el extremo metilo.
Los mamíferos no pueden sintetizar el linoleato 18:2(Δ9,12) y α-linolenato, 18:3 (Δ9,12,15), pero sí las plantas. Las enzimas que introducen estos dobles enlaces se localizan en el retículo endoplásmico y no actúan sobre AG sino sobre fosfatidilcolina, que tiene al menos un oleato.
Estos compuestos se consideran AG esenciales para los mamíferos, porque deben ser obtenidos de las plantas en la dieta.
Una vez ingerido, el linoleato puede ser convertido en otros ácidos poliinsaturados, principalmente γ -linolenato, eicosatrienoato, y eicosatetranoato (araquidonato), los cuales pueden formarse solo de linoleato. El araquidonato, 20:4 (Δ5,8,11,14), es un precursor esencial de los eicosanoides.
4 (a) ¿Cuáles son las diferencias entre la síntesis y la degradación de los ácidos grasos? DEGRADACIÓN SÍNTESIS
Localización intracelular Matriz mitocondrial Citosol
Intermediarios acetil CoA acetil CoA, malonil CoA
Molécula a que se unen los intermediarios coenzima A proteína acarreadora de acilos Asociación de enzimas No están asociadas unidas en una sola cadena
(mamíferos) Coenzimas de óxido-reducción NAD+ y FAD NADPH
Dirección del proceso COOH a metilo metilo a COOH
Hidratación/deshidratación hidratación deshidratación
Configuración del intermediario β-OH L D
Dependencia de bicarbonato no sí
Estado energético que favorece el proceso ADP alto ATP alto
Activación por citrato No Si
Inhibición por acil CoA No Si
Mayor actividad de la vía ayuno alimentación por carbohidratos 5. Problemas 1,2 y 3,
13. BIOSÍNTESIS DE OTROS LÍPIDOS
1. (a) ¿Cuál es la función biológica de los triglicéridos y qué cantidad se ellos puede contener un hombre de 70 kg.?
Los animales pueden sintetizar y almacenar grandes cantidades de triglicéridos para usarse después como combustible.
En los humanos solo se pueden almacenar unos pocos cientos de gramos de glucógeno en hígado y en músculo, para suplir las necesidades energéticas del cuerpo por unas doce horas. Por el contrario, la cantidad total de triglicéridos almacenados en un hombre de 70 kg. de peso es de 15 kg., suficiente para suplir sus necesidades de energía por 12 semanas.
Cuando se ingieren carbohidratos en exceso a su capacidad de almacenar glucógeno, se convierten en triglicéridos y se almacenan en el tejido adiposo. Las plantas también fabrican triglicéridos como combustible rico en energía, almacenados especialmente en frutas, nueces y semillas.
(b) ¿Cuáles son los precursores y cómo se inicia la síntesis de triglicéridos, cómo se llama el complejo de enzimas que participa en este proceso y cuál es su localización intracelular?
Los ácidos grasos activados (acilo graso CoA) y L-glicerol 3 P. El glicerol 3-fosfato se puede formar de dos maneras.
Se debe recordar que el tejido adiposo carece de la enzima glicerol cinasa, la cual puede producir glicerol 3 fosfato directamente por fosforilación del glicerol. Por lo tanto, en este tejido, el glicerol 3 fosfato debe provenir de la reducción de dihidroxiacetona fosfato (la cual proviene de la glucosa vía glicólisis). Esta reacción es catalizada por la enzima glicerol 3-fosfato deshidrogenasa.
Por el contrario, en hígado y riñón se forma por la fosforilación de glicerol por la acción de la enzima glicerol cinasa. Los otros precursores de los triglicéridos son los acilo graso CoA, formados de los ácidos grasos por acil CoA sintetasas, las mismas enzimas responsables de la activación de los ácidos grasos para la β-oxidación.
En primer lugar, el glicerol 3 fosfato es acilado por graso acil CoA para formar lisofosfatidato, el cual es acilado nuevamente por acilo graso CoA para producir fosfatidato. Estas reacciones de acilación se llevan a cabo en los grupos OH libres.
Estas acilaciones son catalizadas por glicerol fosfato aciltransferasa. En la mayoría de los fosfatidatos, la cadena acilo graso unida a C1 es saturada, mientras que la unida a C2 es insaturada.
El fosfatidato (diacilglicerol 3-fosfato) es un intermediario común en la síntesis de fosfoglicéridos y triglicéridos.
Las vías divergen en fosfatidato. En la síntesis de triglicéridos, el fosfatidato es hidrolizado por una fosfatasa específica (fosfatidato fosfatasa) para producir diacilglicerol. Este intermediario es acilado a triglicéridos en una reacción que es catalizada por diacilglicerol aciltransferasa. Estas enzimas están asociadas en el complejo de la sintasa de triglicéridos que está unido a la membrana del retículo endoplásmico.
(c) Explique cómo se regula hormonalmente la síntesis de triglicéridos en los animales.
En los humanos, la cantidad de grasa corporal permanece relativamente constante por largos períodos, aunque puede haber pequeños cambios a corto plazo con las fluctuaciones de la ingesta de calorías. Sin embargo, si se ingieren carbohidratos, grasas y proteínas en exceso a las necesidades energéticas, el exceso se almacena en forma de triglicéridos. La grasa almacenada de esta manera puede ser usada para suplir las necesidades energéticas durante los períodos de ayuno.
La biosíntesis y degradación de los triglicéridos está regulada recíprocamente. La vía favorecida depende de las reservas metabólicas así como de las necesidades del momento. La biosíntesis de los triglicéridos está profundamente alterada por la acción de varias hormonas.
La insulina, por ejemplo, promueve la conversión de carbohidratos a triglicéridos. Las personas con diabetes mellitus, debido a la alteración de la secreción o de la acción de insulina, no solo son incapaces de usar glucosa adecuadamente, sino que también son incapaces de sintetizar ácidos grasos a partir de carbohidratos o aminoácidos.
Estos pacientes se caracterizan por un aumento en la velocidad de oxidación de los ácidos grasos y en la formación de cuerpos cetónicos. Cómo consecuencia pierden peso, el metabolismo de los triglicéridos también está influenciado por el glucagon, la hormona de crecimiento de la pituitaria y por las hormonas de la corteza adrenal.
2. (a) Mencione los pasos generales en las síntesis de los fosfolípidos de membrana, el sitio intracelular en dónde este proceso se lleva a cabo y las dos estrategias para unir las cabezas polares. Los principales fosfolípidos de membrana son los glicerofosfolípidos y los esfingolípidos. El ensamblaje de estas moléculas a partir de precursores sencillos requiere:
(1)
síntesis de la molécula esqueleto (glicerol o esfingosina).(2)
adición de ácidos grasos a este esqueleto, en enlace éster o amida.(3)
adición de una cabeza hidrofílica, unida al esqueleto a través de un enlace fosfodiéster; y en algunos casos,(4)
alteración o intercambio de la cabeza polar para producir el fosfolípido final.En las células eucarióticas, la síntesis de fosfolípidos se lleva a cabo principalmente en la superficie del retículo endoplásmico liso. Algunos de ellos se quedan en esa membrana y otros son dirigidos a otros destinos celulares.
Las dos estrategias para unir la cabeza polar son las siguientes:
1) El CDP-diacilglicerol (diacilglicerol activado) reacciona con la cabeza polar. Esta estrategia se usa en las bacterias.
2) El 1,2 diacil glicerol reacciona con la cabeza polar activada (e.g. CDP-colina). En ambos caos, el CMP es desplazado en el ataque nucleofílico del grupo OH. Los eucariontes usan ambas estrategias.
(b) ¿Cómo se sintetiza el CDP-diacilglicerol, qué impulsa hacia adelante su síntesis, y qué otras reacciones son impulsadas de esta manera?
Se sintetiza a partir de fosfatidato (cuya síntesis ya se vio en el punto anterior) y CTP. Fosfatidato + CTP à CDP-diacilglicerol + PPi
Lo impulsa la hidrólisis del PPi que se produce en la reacción. Otras reacciones que son impulsadas de esta manera son:
la síntesis de UDP Glucosa a partir de G1P + UTP (UDP glucosa pirofosforilasa), la síntesis de AMPc a partir de ATP (adenilato ciclasa),
la síntesis de acilo graso CoA a partir de ácido graso y CoA (acil CoA sintetasa o tiocinasa), la síntesis de arginosuccinato a partir de citrulina mas aspartato (arginosuccinato sintetasa),
la síntesis de D-metilmalonil CoA a partir de propionil CoA (propionil CoA carboxilasa), durante la oxidación de los AG de cadena impar y de aa que produce succinil CoA (Met, Val, Ile).
la síntesis de fosfoenolpiruvato a partir de piruvato (piruvato fosfato dicinasa) en las células del mesófilo de las plantas C4. Piruvato + ATP + Pi à PEP + PPi + AMP.
la síntesis de GMP (guanilato) a partir de XMP (xantilato) (XMP glutamina amidotransferasa), en la síntesis de las purinas
la síntesis de 5 fosforribosil 1 amina a partir de PRPP + Gln (amidofosforribosil transferasa) en la síntesis de las purinas.
la síntesis de orotidilato a partir de orotato y PRPP (orotato fosforribosil transferasa) en la síntesis de las pirimidinas.
la síntesis de CDP-colina a partir de fosfocolina + CTP (CTP colina citidil transferasa), en la síntesis de fosfatidilcolina en los mamíferos.
la síntesis de geranil pirofosfato, farnesil pirofosfato y escualeno, intermediarios de la síntesis de colesterol (etapa 3).
la síntesis de ribonucleótidos de purina por la vía de salvamento a partir de la purina + PRPP (adenina e hipoxantina-guanina fosforribosil transferasa).
la síntesis de nicotina ribonucleótido a partir de nicotinato y PRPP, en la síntesis de NAD+. la síntesis de desamido-NAD+ a partir de nicotinato ribonucleótido, en la síntesis de NAD+. La síntesis de flavina adenín dinucleótido a partir de riboflavina y ATP.
La inserción de una unidad de AMP a la enzima glutamina sintetasa (adenil transferasa). La inserción de una unidad de UMP a la proteína regulatoria PA (uridil transferasa)
(c) ¿Cómo se sintetiza los fosfolípidos en E. coli?
La unidad activada de fosfatidilo (CDP-diacilglicerol), reacciona con el grupo OH de alcoholes polares. Si el alcohol es serina, los productos son fosfatidilserina y CMP. Esta reacción es catalizada por fosfatidilserina sintasa. El CMP es desplazado a través de un ataque nucleofílico por el grupo OH de la serina.
El CMP también puede ser desplazado por el OH del C-1 del glicerol 3 fosfato para producir fosfatidilglicerol 3 P, el cual es procesado por la ruptura del fosfato monoéster (con la liberación del Pi) para producir fosfatidilglicerol.
Estos compuestos pueden servir como precursores de otros fosfolípidos en las bacterias. La descarboxilación de la serina por fosfatidilserina descarboxilasa, produce fosfatidiletanolamina.
La condensación de dos moléculas de fosfatidilglicerol, con la eliminación de glicerol, produce cardiolipina, en la cual dos diacilgliceroles están unidos a través de una cabeza común.
(d) ¿Cómo se sintetizan los fosfolípidos ácidos en los eucariontes?
El fosfatidilglicerol, cardiolipina y los fosfatidilinositoles se sintetizan por la misma estrategia usada para la síntesis de fosfolípidos en las bacterias.
La síntesis de fosfatidilglicerol se hace exactamente de la misma manera.
La síntesis de cardiolipina difiere ligeramente, el fosfatidilglicerol se condensa con CDP-diacilglicerol, no con otra molécula de fosfatidilglicerol como en E. coli.
De igual manera, el fosfatidilinositol se forma por la transferencia de una unidad de diacilglicerolfosfato del diacilglicerol a inositol, reacción catalizada por fosfatidilinositol sintasa (condensación de CDP-diacilglicerol con inositol). Las fosforilaciones subsecuentes catalizadas por cinasas específicas conducen a la síntesis de fosfatidilinositol 4,5 bifosfato, una molécula clave en la transducción de señales.
Los estímulos hormonales y sensoriales activan la fosfolipasa C, una enzima que hidroliza este fosfolípido en dos mensajeros intracelulares: diacilglicerol e inositol 1,4,5 trifosfato.
(e) ¿A partir de qué fosfolípido se puede sintetizar fosfatidiletanolamina y fosfatidilcolina en las bacterias y levaduras y qué papel juega la S-adenosilmetionina en la síntesis de fosfatidilcolina?
La fosfatidilserina se puede producir, como ya se vio antes, por la condensación de CDP-diacilglicerol y serina. La descarboxilación de fosfatidilserina por una enzima dependiente de piridoxal (fosfatidilserina descarboxilasa) produce fosfatidiletanolamina. El grupo amino de este fosfoglicérido es metilado tres veces por la enzima metiltransferasa para formar fosfatidilcolina (lecitina). La S-adenosilmetionina es el donador de los grupos metilo en esta, y en muchas otras metilaciones.
Otra vía alterna para sintetizar fosfatidiletanolamina a partir de fosfatidilserina es el desplazamiento de la serina libre por etanolamina por la enzima fosfatidiletanolamina serina transferasa.
3. (a) Describa una vía alterna en los mamíferos para la síntesis de fosfatidilcolina (lecitina) que se inicia con colina y mencione cuáles son las especies activadas. ¿Cómo están interrelacionadas las vías de
La colina se obtiene de la dieta. La colina es fosforilada por ATP a fosforilcolina, (enzima colina cinasa) la cual reacciona entonces con CTP para formar CDP-colina (enzima CDP colina citidiltransferasa). La unidad fosforilcolina de CDP colina es transferido entonces a diacilglicerol para formar fosfatidilcolina (enzima CDP colina diacilglicerol fosfocolina transferasa).
Colina + ATP à fosfocolina + ADP (colina cinasa)
Fosfocolina + CTP à CDP-colina + PPi (CTP colina citidil transferasa)
CDP-colina + diacilglicerol à fosfatidilcolina + CMP (CDP colina DG fosfocolina transferasa)
Existe otra forma de sintetizar fosfatidilcolina en el hígado de los mamíferos y es la siguiente: la etanolamina de la dieta se puede salvar reaccionando con CTP para dar CDP-etanolamina, la reacción subsecuente de este compuesto con diacilglicerol produce fosfatidiletanolamina, la cual es metilada por S-adenosilmetionina en tres ocasiones. La secuencia de reacciones anteriores produce fosfatidilcolina. En todos los otros tejidos, la fosfatidilcolina solo es producida por la condensación de diacilglicerol y CDP-colina.
(b) ¿Cómo se sintetizan los plasmalógenos y los alquil-acil-glicerofosfolípidos (otros dos tipos de glicerofosfolípidos)?
Algunos animales y organismos unicelulares son ricos en lípidos éter, en los cuales una de las dos cadenas acilo está unida al glicerol en enlace éter y no éster.
Las cadenas unidas por enlace éter pueden estar saturadas, como en los alquil-acil-glicerofosfolípidos, o puede contener un doble enlace entre los C-1 y C-2, como en los plasmalógenos.
El corazón de los vertebrados está especialmente enriquecido de lípidos éter; aproximadamente la mitad de los lípidos del corazón son lípidos éter.
Las membranas de las bacterias halofílicas, de los protistas ciliados, y de ciertos invertebrados, también contienen una alta proporción de lípidos éter. Su significado funcional en estas membranas es desconocidos; quizá confieran resistencia a las fosfolipasas que rompen los ácidos grasos unidos en enlace éster.
Aproximadamente un 20% de los glicerofosfolípidos de los mamíferos son plasmalógenos. El porcentaje exacto varía de especie a especie y de tejido a tejido en una organismo dado. Mientras que los plasmalógenos comprenden solamente el 0.8% de los fosfolípidos en el hígado de humanos, representan el 23% en el tejido nervioso de humanos.
Los alquil-acil-glicerofosfolípidos son menos abundantes que los plasmalógenos; por ejemplo, de todo el glicero fosfosfolípido etanolamina contenido en el corazón de humanos, el 59% son plasmalógenos y el 3.6% son alquil-acil-glicerofosfolípidos. Sin embargo, de todo el glicero fosfolípido etanolamina de los eritrocitos de bovino, el 75% son del tipo alquil-acilo.
Al menos un lípido éter, el factor activador de plaquetas, es una hormona importante. Se libera de los basófilos y estimula la agregación de plaquetas y la liberación de serotonina de las plaquetas. Ejerce una variedad de efectos sobre el hígado, músculo liso, corazón, útero y pulmón y juega un papel importante en la respuesta inflamatoria y alérgica.
Los pasos en la síntesis de éstos compuestos son los siguientes: 1. Síntesis de 1 acil dihidroxiacetona 3 fosfato
acil CoA +DHAP à 1 acil dihidroxiacetona 3 fosfato + CoA-SH 2. Intercambio del grupo acilo de 1 acil dihidroxiacetona 3 fosfato por un alcohol
3. Reducción de la cetona a 1 alquil glicerol 3 fosfato
1 alquil dihidroxiacetona 3 fosfato + NADPH + H+à 1 alquil glicerol 3 fosfato + NADP+ 4. Acilación de C2-OH producido en el paso anterior por acil CoA.
1 alquil glicerol 3 fosfato + acil CoA à 1 alquil 2 acilglicerol 3 fosfato + CoA SH 5. Hidrólisis del grupo fosforilo para producir 1 alquil 2 acilglicerol
1 alquil 2 acilglicerol 3 fosfato + H2O à 1 alquil 2 acilglicerol + Pi 6. Ataque del nuevo grupo OH por CDP-etanolamina.
1 alquil 2 acilglicerol + CDP etanolamina à 1 alquil 2 acil glicerofosfoetanolamina + CMP
7. Introducción de un doble enlace en el grupo alquilo para formar plasmalógenos por una desaturasa que tiene los mismos requerimientos de cofactores como la desaturasa de ácidos grasos.
1 alquil 2 acil glicerofosfoetanolamina + O2 + NADH + H+à plasmalógeno etanolamina + NAD+ + 2H2O. (c) ¿Cuáles son las actividades biológicas de las fosfolipasas, cuáles se han aislado y cuál es su especificidad?
Las fosfolipasas tienen dos papeles principales. Muchas de ellas son enzimas digestivas que están presentes en alta concentración en los jugos intestinales, secreciones bacterianas y venenos. Las fosfolipasas también generan moléculas señal altamente activas o sus precursores inmediatos. P.e. la fosfolipasa A2 libera araquidonato, un precursor de prostaglandinas, leucotrienos y tromboxanos y la
fosfolipasa C libera dos mensajeros en la cascada de fosofinosítidos (diacilglicerol y fosfatidilinositol). Las fosfolipasas están agrupadas de acuerdo a su especificidad.
Las fosfolipasas hidrolizan preferencialmente sustratos que están localizados en la bicapa de la membrana, micelas o partículas de lipoproteínas.
Las enzimas que se han aislado son la A1, A2, C y D.
4. (a) ¿Cómo se sintetiza la unidad estructural básica de los esfingolípidos?
La unidad básica de los esfingolípidos se llama ceramida. El esqueleto de carbonos de los esfingolípidos se llama esfingosina, y no glicerol, como en el caso de los triglicéridos.
El palmitoil CoA y la serina se condensan para formar dihidroesfinganina, la cual se convierte a esfingosina por dos reacciones sucesivas: 1) una reducción de un grupo ceto a OH por NADPH y 2) una oxidación, enlazada a FAD, de la cadena de átomos de carbono, para formar una doble ligadura.
Palmitoil CoA + serina à 3-ceto esfinganina + CO2 (sintasa de..)
3-ceto esfinganina + NADPH à esfinganina (dihidroesfingosina)+ NADP+ (reductasa de..) esfinganina + acil-CoA à dihidroceramida (N-acil esfinganina) + CoA (Acil CoA transferasa) La enzima que cataliza la primera reacción requiere de piridoxal fosfato, un factor importante en el metabolismo de aminoácidos. En todos los esfingolípidos, el grupo amino de la esfingosina está acilado: un acil CoA de cadena larga reacciona con esfingosina para formar ceramida (N-acil-esfingosina). El grupo OH terminal también está sustituido. En la esfingomielina el sustituyente es fosforilcolina, el cual proviene de fosfatidilcolina. El cerebrósido se forma por la reacción de ceramida con UDP azúcar.
dihidroceramida + FAD + à ceramida (N-acilesfingosina) + FADH2 (reductasa de….) ceramida + fosfatidilcolina à esfingomielina + diacilglicerol (
ceramida + UDP azúcar à cerebrósido + UDP cerebrósido + azúcares activados à gangliósidos
La esfingomielina se parece a la fosfatidilcolina en sus propiedades generales, en la estructura tridimensional y en la ausencia de carga neta en su grupo polar. Las esfingomielinas están presentes en las membranas plasmáticas de las células animales; la hoja de mielina que rodea y aísla los axones de las neuronas mielinadas es una buena fuente de esfingomielinas.
(b) ¿Cómo se clasifican los glicoesfingolípidos (esfingolípidos cuya cabeza polar son carbohidratos? Estos compuestos tienen 1 o mas azúcares en su cabeza polar, conectados directamente al OH del C-1. NO CONTIENEN FOSFATO. Su clasificación es la siguiente:
1. cerebrósidos (monosacáridos de ceramida) 2. sulfátidos (sulfatos de nonosacárido ceramida) 3. globósidos (oligosacáridos neutros de ceramida)
4. gangliósidos (oligosacáridos ácidos de ceramida que contiene ácido siálico).
Este azúcar es N-acetilneuraminato o N-glicolilneuraminato. Estos azúcares ácidos se denominan ácidos siálicos. Sus esqueletos de carbonos son sintetizados a partir de fosfoenolpiruvato (C3) y N-acetilmanosamina 6-fosfato (unidad C6).
cerebrósidos. Son los glicoesfingolípidos mas simples. El galactocerebrósido, que está en concentración mas alta en las membranas de las células neuronales del cerebro, tiene un grupo β-D-galactosa. El glucocerebrósido, que tiene en vez β-D-glucosa, está presente en las membranas de otros tejidos. El glucocerebrósidos, aunque poco común, es precursor de globósidos y gangliósidos.
Los residuos de galactosa de algunos galactocerebrósidos están sulfatados en su posición C3 para formar compuestos iónicos como los sulfátidos.
Los gangliósidos forman son los glicoesfingolípidos mas complejos. Se han caracterizado cerca de 60 gangliósidos. Los gangliósidos son componentes principales de las membranas de la superficie celular y constituyen una fracción significativa de los lípidos del cerebro. También están presentes en otros tejidos en menor proporción.
Los gangliósidos tiene un gran significado médico y fisiológico. Sus carbohidratos complejos, que se extienden mas allá de la superficie de la membrana celular, actúan como receptores específicos para ciertas hormonas de naturaleza glicoproteica de la pituitaria. También son receptores para toxinas proteínicas bacterianas, como la toxina del cólera. Hay mucha evidencia de que los gangliósidos son determinantes específicos del reconocimiento célula-célula, por lo que probablemente tengan un papel importante en el crecimiento y diferenciación de los tejidos así como en la carcinogénesis.
Los esfingolípidos son los determinantes de los grupos sanguíneos A, B, y O en humanos. El gangliósido GM1, el cual, indudablemente juega un papel valioso en las células animales que lo contienen, es el punto de unión de la toxina del cólera en las membranas celulares.
Las alteraciones de la degradación de estos compuestos son responsables de varias enfermedades hereditarias de almacenamiento de los esfingolípidos, como la enfermedad de Tay-Sachs.
Los gangliósidos son sintetizados por la adición ordenada, paso a paso, de unidades de azúcar a ceramida. Los donadores activados de estos residuos de azúcar son glucosa, galactosa, UDP-N-acetilgalactosamina, como el derivado CMP de N-acetilneuraminato. El CMP-N-acetilneuraminato es sintetizado a partir de CTP y de N-acetilneuraminato.
La estructura de los gangliósidos resultantes está determinada por la especificidad de las glucosiltransferasas en la célula..
glucocerebrósido + UDP-Gal à lactosil ceramida + UDP lactosil ceramida + CMP-NANA à GM3 + CMP
GM3 + UDPGalNAc à GM2 + UDP GM2 + UDP-Gal à GM1 + UDP
lactosil ceramida + UDP-Gal à trihexosil-ceramida + UDP trihexosil-ceramida + UDP-GalNac à globósido + UDP.
(c) ¿Cuál es la deficiencia enzimática en la enfermedad de Tay-Sachs?
Los gangliósidos se encuentran en alta concentración en el sistema nervioso, particularmente en la materia gris, donde constituyen el 6% de los lípidos. Los gangliósidos son degradados dentro de los lisosomas por la remoción secuencial de sus azúcares terminales. Las alteraciones de la degradación de los gangliósidos pueden tener serias consecuencias clínicas.
En la enfermedad de Tay-Sachs, los síntomas son evidentes, generalmente, antes de que el afectado cumpla un año. La debilidad y el retardo psicomotor son síntomas típicos. A la edad de dos años el niño con este problema se queda ciego y con daño mental irreversible y, usualmente muere antes de los tres años.
El contenido de gangliósidos en el cerebro de una persona afectada de Tay-Sachs es muy elevado. La concentración del gangliósido GM2 es muchas veces mayor que lo normal, debido a que sus residuos
terminales de N-acetilgalactosamina no son removidos o son removidos muy lentamente, debido a que la β-N-acetilhexosaminidasa específica, la enzima que cataliza esta reacción, está ausente o deficiente. La frecuencia de esta enfermedad es rara en la población abierta (1 en 300,000 nacimientos), pero tiene una incidencia muy alta (1 en 3,600 nacimientos) en los judíos Askenazi (cuyo origen es el Este de Europa), quienes forman mas del 90% de la población judía de Estados Unidos.
Uno de cada 28 judíos Askenazi lleva el gen defectuoso en forma recesiva, lo que significa que cuando ambos padres son portadores, hay una probabilidad del 25% de que el hijo desarrolla la enfermedad de Tay-Sachs.
Otras enfermedades
5. (a) ¿Cuál es el papel del colesterol en las membranas biológicas y de que hormonas es precursor? Modula la fluidez de las membranas biológicas (se revisó en estructura de membranas) y es precursor de las hormonas esteroides como progesterona, testosterona, estradiol, y cortisol.
(b) ¿Cuál es la importancia del colesterol, de dónde derivan sus átomos de carbono, cuáles son las etapas en la síntesis de colesterol en que sitio de la célula se sintetiza?
El colesterol es, sin duda, el lípido natural al que se le ha hecho mas publicidad, debido a la fuerte correlación entre los altos niveles de colesterol en la sangre y la incidencia de enfermedades del sistema cardiovascular en humanos.
Sin embargo juega un papel central en la estructura de las membranas y es un precursor de las hormonas esteroides y de los ácidos biliares. Por lo tanto, el colesterol es una molécula esencial para el humano y muchos animales. No se requiere en la dieta de los humanos debido a que el hígado lo puede sintetizar de precursores simples.
Los 27 átomos de carbono del colesterol se derivan de acetil CoA. El colesterol se sintetiza en el citosol. Las etapas son:
3. Condensación de 6 unidades activas de isopreno para formar escualeno (C30)
4. Conversión de escualeno al núcleo de esteroides de cuatro anillos 6. (a) ¿Cuáles son los pasos de las cuatro etapas en la síntesis de colesterol?
Síntesis de mevalonato a partir de acetato 2 acetilCoA à acetoacetil CoA + acetil CoA àβ-OH-β-metilglutaril CoA + CoA β-OH-β-metilglutaril CoA +2NADPH + 2H+ à mevalonato + 2NADP+ + 2H+ + CoA
Conversión de mevalonato en isopentenilpirofosfato mevalonato + ATP à 5 fosfomevalonato +ADP
5 fosfomevalonato + ATP à 5 pirofosfomevalonato +ADP
5 pirofosfomevalonato + ATP à isopentenilpirofosfato +ADP +Pi + CO2 isopentenilpirofosfato ß à dimetilalilpirofosfato
Condensación de 6 unidades activas de isopreno para formar escualeno isopentenilpirofosfato + dimetilalilpirofosfato à geranilpirofosfato + PPi (prenil transferasa) geranilpirofosfato + isopentenilpirofosfato à farnesilpirofosfato + PPi (prenil transferasa) farnesilpirofosfato + farnesilpirofosfato + NADPH + H+ à escualeno + 2PPi (escualeno sintasa)
Conversión de escualeno al núcleo de esteroides de cuatro anillos del colesterol escualeno + NADPH +H+ + O2 à epóxido 2,3 de escualeno (C30)+ H2O + NADP+
(escualeno monooxigenasa)
epóxido 2,3 de escualeno (C30) à lanosterol (ciclasa) à (muchas reacciones) à colesterol (C27) (b) Mencione los destinos del colesterol.
La mayor parte de la síntesis del colesterol en los vertebrados se lleva a cabo en el hígado. En el intestino también se forman cantidades apreciables de colesterol. Un adulto con una dieta baja en colesterol sintetiza normalmente 800 mg de colesterol por día.
Una pequeña fracción del colesterol se incorpora en las membranas de los hepatocitos, pero la mayoría es exportado en dos formas: ésteres de colesterol y ácidos biliares.
Los ácidos biliares y la mayoría de sus sales son derivados de colesterol relativamente hidrofílicos, son sintetizados en el hígado y ayudan en la digestión de los lípidos.
Los ésteres de colesterol se forman en el hígado a través de la acción de acil CoA colesterol acil transferasa (ACAT). Esta enzima cataliza la transferencia de un ácido graso de la coenzima A al grupo OH del colesterol. Los ésteres de colesterol son almacenados en el hígado o transportados a otros tejidos que usan colesterol.
Los tejidos de animales en crecimiento necesitan colesterol para la síntesis de sus membranas, y algunos órganos (por ejemplo glándulas adrenales y gónadas) usan colesterol como un precursor para la producción de hormonas esteroides. El colesterol también es un precursor de la vitamina D.
7. (a) ¿Cuál es el paso regulado en la síntesis de colesterol, que enzima lo cataliza y cómo se regula ésta enzima?
La reducción en el citosol de 3-OH-3-metilglutaril CoA (3-HMG-CoA) a mevalonato. La enzima que cataliza este paso irreversible, 3-OH-3-metilglutarilCoA reductasa (proteína integral del retículo endoplásmico liso), es la enzima reguladora de la síntesis de colesterol.
La velocidad de formación de colesterol por estos órganos es muy sensible al nivel celular de colesterol. Esta regulación por retroalimentación es mediada primariamente por cambios en la cantidad y actividad de la enzima HMG CoA reductasa. Esta enzima es controlada en múltiples pasos:
1. La velocidad de síntesis del ARNm de la reductasa está controlado por un elemento regulatorio de esteroles (SRE), una secuencia corta de ADN sobre la región 5’ del gen. En la presencia de esteroles, el SRE inhibe claramente la producción de ARNm.
2. La velocidad de traducción del ARNm de la reductasa es inhibido por metabolitos no esteroles derivados del mevalonato.
3. La degradación de la reductasa está estrictamente controlada. La enzima es bipartita: su dominio citosólico realiza la catálisis y su dominio de membrana es sensible al nivel de derivados de colesterol y mevalonato. Un alto nivel de estos productos conduce a una degradación rápida de la reductasa. En realidad, la cantidad de la enzima puede variar cerca de 200 veces por una combinación de estas tres herramientas regulatorias.
4. La fosforilación reduce la actividad de la reductasa. Esta enzima, como la acetil CoA carboxilasa, es inactivada por una cinasa de proteínas dependiente de AMP. Así, la síntesis de AMP cesa cuando el nivel de ATP es bajo. La insulina promueve la desfosforilación (activación) y, por lo tanto, la síntesis de colesterol.
8. (a) ¿Cuál es la estructura y función de las lipoproteínas?
El colesterol y los TG son transportados en los fluidos corporales en la forma de partículas de lipoproteínas (LP). El componente proteínico de estos agregados macromoleculares tiene dos papeles: solubilizan los lípidos hidrofóbicos contienen señales celulares blanco. Las LP se clasifican de acuerdo a su densidad: quilomicrones, restos de quilomicrones, VLDL, IDL, LDL y HDL. Cada partícula consiste de un centro de lípidos hidrofóbicos rodeado por una cubierta de lípidos polares y de apoproteínas. Se han aislado 10 apoproteínas diferentes: A-I, A-II, A-IV, B-48, B-100, C-I, C-II, C-III, D y E. Se sintetizan o se secretan en el hígado y el intestino.
Los TG, colesterol, y otros lípidos obtenidos de la dieta, son acarreados desde el intestino en la forma de quilomicrones grandes (180 a 500 nm de diámetro). Tienen una densidad muy baja debido (<0.94 g/ml) debido a que los TG constituyen ∼ 99% de su contenido. La apoB-48, una proteína de 240 kd forma una cubierta anfipática esférica alrededor del glóbulo de grasa, la parte externa de esta cubierta es hidrofílica. Los TG de los quilomicrones son hidrolizados por lipasas de lipoproteínas localizadas en la cubierta de los vasos sanguíneos en músculo y otros tejidos que usan ácidos grasos como combustibles y precursores de grasa sintetizada endógenamente. Los residuos ricos en colesterol, conocidos como remanentes de quilomicrones, son captados por el hígado.
Los TG y el colesterol, en exceso a lo que necesita el hígado, son exportados a la sangre en la forma de VLDL. Estas partículas son estabilizadas por dos lipoproteínas, apo B-100 y apo E (34 kd). La apo B-100 es una de las proteínas mas grandes conocidas (513 kd), es una versión grande de apoB-48. Ambas proteínas son codificadas por el mismo gen y producidas a partir del mismo transcrito inicial. En el intestino, la edición de ARN modifica el transcrito para generar el ARNm de apo B-48, la forma truncada. Los TG en VLDL, como los quilomicrones, son hidrolizados por lipasas de la superficie capilar.
Los remanentes resultantes, que son ricos en ésteres de colesterol, son llamados IDL. Estas partículas tiene dos destinos. La mitad de ellas son tomadas por el hígado, mientras que la otra mitad es convertida en LDL. Las LDL son el principal acarreador de colesterol en la sangre, tiene un diámetro de 22 nm y una masa cercana a tres millones. Contiene un centro de aproximadamente 1500 moléculas de colesterol esterificado. La cadena de acilo graso mas común en estos ésteres es linoleato, un ácido graso poliinsaturado.
Este centro altamente hidrofóbico está rodeado por una cubierta de fosfolípidos y de colesterol no esterificado. La cubierta también contiene una copia de apo B-100, la cual es reconocida por las células blanco. El papel de la LDL es transportar colesterol a los tejidos periféricos y regular la síntesis de colesterol de novo en estos sitios.
