7 3_Metabolismo_de_lípidos_Oxidación_de_ácidos_grasos_Cetogénesis

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Unidad 7. Estructura y metabolismo de lípidos
BIOQUIMICA
7.3 Metabolismo de Lípidos. Oxidación de ácidos grasos. Síntesis y oxidación de cuerpos cetónicos
Esteban A. Ferro B, PhD 
Facultad de Ciencias Médicas
Universidad Nacional de Asunción
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Unidad 7. Estructura y metabolismo de lípidos
Presentación 7.3 Metabolismo de Lípidos: Oxidación de ácidos grasos – Síntesis y oxidación de cuerpos cetónicos 
Contenido
Metabolismo de ácidos grasos
Activación y transporte
ß-Oxidación de ácidos grasos saturados e insaturados
Oxidación de ácidos grasos con C impar
Oxidación peroxisómica y otros modos de oxidación
Cetogénesis y oxidación de cuerpos cetónicos
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Los lípidos constituyen un conjunto de moléculas con estructuras diversas, que comparten, además de su carácter predominantemente hidrofóbico dos aspectos:
Todos están vinculados a la producción de acetil-CoA (AcCoA) o lo requieren para su síntesis.
Mayoritariamente contienen o derivan de ácidos grasos.
LIPIDOS - Metabolismo
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En el análisis del metabolismo de los lípidos nos enfocaremos en la degradación y la síntesis de los ácidos grasos, y sus principales derivados, los triacilgliceroles y los lípidos de membrana.
Adicionalmente, nos ocuparemos del metabolismo de los cuerpos cetónicos y del colesterol.
LIPIDOS - Metabolismo
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Metabolismo de Lípidos
Triacilgliceroles
Lípidos de membrana
Ácidos grasos
NADPH
FADH2 
NADH 
FADH2 
NADH 
ATP
ATP
GTP
Cuerpos cetónicos
Colesterol
AcCoA
Síntesis de ácidos grasos
ß-oxidación de ácidos grasos
Lipólisis
Síntesis de TAG
Fosforilación oxidativa
Ciclo de Krebs
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Los acilgliceroles de la dieta o de los depósitos se hidrolizan dando ácidos grasos y glicerol.
Los ácidos grasos se destinarán a:
A. Generar energía por oxidación
B. Constituir lípidos de membrana y de reserva (TAG)
C. Generar moléculas de señalización (a partir de los lípidos de membrana)
Los ácidos grasos se oxidan en las mitocondrias, por ß-oxidación, generado:
A. Acetil-CoA
B. FADH2
C. NADH
AcCoA tiene como alternativas relevantes:
Oxidación en el ciclo del ácido cítrico hasta CO2, cuando se requiere ATP y se dispone de oxaloacetato.
Síntesis de ácidos grasos/colesterol cuando se dispone de ATP y NADPH y hay disponible AcCoA.
Síntesis de cuerpos cetónicos cuando no se dispone de glucosa ni oxaloacetato y hay disponible AcCoA.
LIPIDOS - Generalidades
La oxidación de ácidos grasos es la principal fuente de energía para el organismo en una día normal. 
 
Solo ocurre en condiciones aeróbicas, mayoritariamente en las mitocondrias y se asocia al ciclo del ácido cítrico y la fosforilación oxidativa.
 
Todos los ácidos grasos deben activarse formando derivados de CoA ( Acil-CoA ) para su metabolismo.
Oxidación de Ácidos Grasos
El proceso que afecta a nuestros principales ácidos grasos (de cadena larga, C-par, lineales, saturados e insaturados) sigue estas etapas:
Activación (síntesis de acil-CoA)
Transporte mitocondrial
ß-Oxidación
En esta última etapa se generan:
	- Acetil-CoA (AcCoA)
	- Equivalentes de reducción (FADH2 y NADH) 
Oxidación de Ácidos Grasos
Sin embargo, como estamos expuestos a otros ácidos grasos o soportamos diferentes condiciones metabólicas, también desarrollamos:
ß-oxidación de ácidos grasos poliinsaturados.
ß-oxidación de ácidos grasos de cadena impar.
ß-oxidación peroxisómica de ácidos grasos de cadena muy larga (C > 20).
 α-oxidación peroxisómica de ácidos grasos con cadena ramificada.
ω-oxidación microsomal, como mecanismo alternativo.
Oxidación de Ácidos Grasos
Implica la degradación oxidativa de los ácidos grasos en fragmentos de 2 átomos de carbono, demostrada experimentalmente en 1904 por Franz Knoop.
β - oxidación de ácidos grasos
Ácido graso suministrado
Producto de degradación
Producto de excreción
Ácido graso de cadena par
Ácido graso de cadena impar
Ácido benzoico
Ácido fenilacético
Ácido fenilacetúrico
Ácido hipúrico
Residuo de glicina
Residuo de glicina
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Activación de ácidos grasos: 
		Acil-CoA sintetasa (tiocinasas)
β - oxidación de ácidos grasos - Activación
- Todos los ácidos grasos se activan mediante la síntesis de los acil-CoA.
Existen numerosas (26) enzimas en cuanto a localizaciones celulares y tisulares, así como en la especificidad, en los humanos.
Los de cadena corta y media se activan en la matriz mitocondrial, los de cadena larga en el citoplasma
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		Acil-CoA sintetasa (tiocinasas)
- Para acetato y otros de cadena corta: mitocondrias
- Para ácidos de cadena media (C4-C11): mitocondrias hepáticas
- Para ácidos de cadena larga (C16-C20): membranas de RE y externa mitocondrial
- Para ácidos de cadena muy larga (C16-C26), ácidos ramificados, ácidos dicarboxílicos de cadena larga: peroxisomas
β - oxidación de ácidos grasos - Activación
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β - oxidación de ácidos grasos - Activación
	Tipo de ácido graso	N° de átomos de C	Sitio de catabolismo	Mecanismo de transporte
	Cadena corta	2 – 4	Mitocondria	Difusión
	Cadena media	4 – 12	Mitocondria	Difusión
	Cadena larga	12 – 20	Mitocondria	Dependiente de carnitina
	Cadena muy larga	> 20	Peroxisoma (inicial)	Mediado por proteínas (ALD)
β - oxidación de ácidos grasos - Transporte
β - oxidación de ácidos grasos - Transporte
Carnitina es un aminoácido derivado de Lys
Carnitina aciltransferasa I & II
(CAT-I / CAT-II)
Carnitina
(4-trimetilamino-3-hidroxibutirato)
Acil-carnitina
Acil-CoA
Coenzima A
Carnitina palmitoil transferasa
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β - oxidación de ácidos grasos - Transporte
Citosol
Matriz mitocondrial
Membrana mitocondrial interna
Carnitina
Carnitina
Carnitina
Carnitina
Carnitina palmitoil transferasa II
Carnitina palmitoil transferasa I
Carnitina- acilcarnitina translocasa
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Acil-CoA deshidrogenasa
Asociada a trasporte mitocondrial de electrones
Acil-CoA  FAD  ETF  ETF-CoQ óxidorreductasa  CoQ
ETF: flavoproteína transportadora de electrones
ETF-CoQ óxidorreductasa: flavo-hierro-azufre-proteína
4 isoformas: para cadenas cortas (4-6), medianas (6-10), medianas-largas (6-18) y largas (12-18).
Deficiencia de MCAD en 10% de casos de SIDS (hipoglicemia hipocetósica)
Lys304  Glu (no se liga FAD) 
Hipoglicina A de Blighia sapida se convierte en metilenciclopropil-CoA que modifica covalentemente a FAD 
β - oxidación de ácidos grasos - Enzimas
Enoil-CoA hidratasa (EH)
NAD+ 3-L-hidroxiacil-CoA deshidrogenasa (HSD)
ß-cetoacil-CoA tiolasa (KT)
Proteína trifuncional/complejo multienzimático de membrana interna mitocondrial 
α4 β4 
Unidades α: 	EH de cadenas corta, media y larga
				HSD de cadenas corta, media y larga 
Unidades ß: 	KT de cadenas corta, media y larga
	
β - oxidación de ácidos grasos - Enzimas
β - oxidación de ácidos grasos - Reacciones
β - oxidación de ácidos grasos - Reacciones
La secuencia de reacciones es similar a la de la segunda mitad del ciclo del ácido cítrico:
Deshidrogenación con FAD
Hidratación del doble enlace
Deshidrogenación con NAD+
Tiólisis.
Número de ciclos de β - oxidación 
(número de átomos de C/2) -1
Ej: Ácido esteárico (18:0)
9 AcCoA, 8 ciclos de ß-oxidación 
 
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β - oxidación de ácidos grasos
Mecanismo de la tiolasa
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Palmitoil-CoA + 7 CoASH + 7 FAD + 7 NAD+ + 7 H2O
8 AcCoA + 7 FADH2 + 7 NADH, H+
Rendimiento:
Activación:				- 2 ATP (equiv.)
Oxidación de 8 AcCoA (8 x 12):	96 ATP
Oxidación de 7	 FADH2 (7 x 2):	14 ATP
Oxidación de 7	 NADH, (7 x 3):	21 ATP
		 					129 ATP (máx)
Ácido palmítico 129/16= 8,2 ATP/C  129 ATP/ 23 O2 (5,6 ATP/O2)
Glucosa 38/6= 	 6,3 ATP/C  38 ATP/6 O2 (6,3 ATP/O2)
β - oxidación de ácidos grasos 
Balance de masa y energía
Disponibilidad de sustratos/productos: 	
Ácidos grasos (+) (activa)
NADH (-)		(inhibe)
Control hormonal de la lipólisis en adipocitos
Control de la transferencia de ácidos grasos a la mitocondria (hígado):
Malonil-CoA (intermedio de la síntesis de palmitato) inhibe CAT-I (CPT-I)
β - oxidación de ácidos grasos - Control
β - oxidación de ácidos grasos insaturados
Ácido oleico
(9-cis-octadecenoico)
Ácido linoleico
(9, 12-cis-octadecadienoico)
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β - oxidación de ácidosgrasos monoinsaturados
Ácidos grasos monoinsaturados, como 18:1 (9 AcCoA, 7 FADH2, 8 NADH) y 16:1 (8 AcCoA, 6 FADH2, 7 NADH), experimentarán ß-oxidación hasta encontrar una insaturación cis, en C-3.
Enoil-CoA isomerasa traslada el doble enlace a la posición 2, con configuración trans, lo que permite continuar con las reacciones de la ß-oxidación, que rinde un FADH2 menos. 
Enoil-CoA isomerasa
Hidratasa
Problema 1: doble enlace cis β,γ no es sustrato para enoil-CoA hidratasa
Problema 2: doble enlace Δ4 inhibe enoil-CoA hidratasa
Problema 3: isomerización no anticipada de 2,5-enoil-CoA por 3,2 enoil—CoA isomerasa
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β - oxidación de ácidos grasos de C impar
La secuencia de reacciones de la ß-oxidación es idéntica que la observada para ácidos grasos de número par de átomos de C, hasta la última, en la que se forma el homólogo de acetoacetil-CoA.
ß-ceto-pentanoil-CoA por tiólisis rinde AcCoA + Propionil-CoA.
AcCoA
Propionil-CoA
ß-cetopentanoil-CoA
(Homólogo de acetoacetil-CoA)
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β - oxidación de ácidos grasos de C impar
Propionil-CoA se carboxila (reacción dependiente de biotina) y se metaboliza en la mitocondria hasta succinil-CoA.
La deficiencia de propionil-CoA carboxilasa genera acidosis propiónica.
La deficiencia de las enzimas metilmalonil-CoA racemasa o metilmalonil-CoA mutasa produce acidosis metilmalónica.
Propionil-CoA también resulta del catabolismo de Met, Val, Ile y Thr.
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Oxidación de propionil-CoA
Succinil-CoA
(R)-Metilmalonil-CoA
Metilmalonil-CoA mutasa
Esqueleto carbonado
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Oxidación de propionil-CoA
La oxidación de propionil-CoA requiere la acción de metilmalonil-CoA mutasa, una enzima dependiente de la coenzima B12.
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Succinil-CoA procedente de metilmalonil-CoA se integra al ciclo de Krebs, previa conversión a malato.
 Succinato	 		Fumarato	 	Malato
Luego malato se oxida a piruvato por la enzima málica.
Enzima málica
Oxidación de propionil-CoA
Malato
Piruvato
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β - oxidación de ácidos grasos de cadena muy larga
La oxidación de ácidos grasos con cadenas de 22 o más átomos de C ocurre en los peroxisomas.
Allí se activan a acil-CoA y experimentan β - oxidación hasta acil-CoA de cadena media, que terminan de oxidarse en las mitocondrias.
La primera de las enzimas es la acil-CoA oxidasa, que depende de FAD. El FADH2 producido se reoxida con oxígeno, generando peróxido de hidrógeno, que es degradado por la catalasa peroxisómica.
En los peroxisomas también se produce oxidación de ácidos grasos ramificados, ácidos dicarboxílicos de cadena larga, oxidación de eicosanoides, y reacciones de síntesis de plasmalógenos y ácidos biliares.
Los receptores activados por proliferadores peroxisómicos (PPAR) son factores de transcripción activados por lípidos. PPAR-α es activado por ácidos grasos mono y poliinsaturados, que estimulan las vías peroxisómicas, especialmente en el hígado.
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β - oxidación de ácidos grasos de cadena muy larga
Los peroxisomas no requieren carnitina para el ingreso de ácidos grasos, pero contienen carnitina y exportan acil-carnitina de cadena corta y media.
FADH2 + O2  FAD+ H2O2
 Oxidación de ácidos grasos de cadena ramificada
α- oxidación
La cadena de fitol de la clorofila produce por oxidación un ácido de cadena ramificada, el ácido fitánico.
La dieta occidental aporta de 50 a 100 mg/d de fitanato con la leche y la carne de rumiantes, y con las verduras.
El metilo en posición ß impide la oxidación, pero experimenta α- oxidación.
 
Se produce hidroxifitanato, que por descarboxilación produce pristanato, que por ß-oxidación rinde: 3 acetil-CoA + 3 propionil-CoA + isobutiril-CoA.
El defecto de la α- oxidación
peroxisómca resulta en la enfermedad de Refsum.
By SlothMcCarty - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7966707
 α- Oxidación en ácidos grasos de cadena ramificada
CoASH + ATP
AMP + PPi
 α-KG + O2
 Succinato + CO2
 NAD+
 NADH, H+
CoASH + ATP AMP + PPi
Pristanoil-CoA
6 ciclos de ß-oxidación:
3 acetil-CoA
3 propionil-CoA
1 isobutiril-CoA
Fitanoil-CoA 
hidroxilasa
Acil-CoA sintetasa
Acil-CoA sintetasa
Aldehido deshidrogenasa
2-hidroxifitanoil-CoA liasa
 Oxidación de ácidos grasos en el RE
ω - oxidación
Los defectos en la ß-oxidación, activan un mecanismo alternativo de oxidación de ácidos grasos.
La ω- oxidación (omega-oxidación) ocurre en el retículo endoplásmico, con participación de enzimas de la familia CYP, oxígeno y NADPH. 
El C-omega se hidroxila y se oxida generando ácidos dicarboxílicos, que se eliminan por la orina.
 Síntesis y oxidación de cuerpos cetónicos
Los cuerpos cetónicos son moléculas hidrosolubles sintetizadas en la matriz mitocondrial de los hepatocitos.
Los mismos se producen cuando hay oferta de AcCoA y déficit mitocondrial de oxaloacetato.
Esta condición se observa en el ayuno prolongado, en las dietas muy pobres en hidratos de carbono y en la diabetes mellitus insulinodependiente.
Pasan a la sangre (cetonemia) y la orina (cetonuria)
Acetoacetato
Acetona
ß-Hidroxibutirato
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 Síntesis de cuerpos cetónicos
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 Síntesis de cuerpos cetónicos
Esta reacción es reversible y ocurre en las mitoconodrias
(Análoga a la catalizada en el citoplasma por lactato deshidrogenasa)
Acetoacetato
ß-Hidroxibutirato deshidrogenasa
ß-Hidroxibutirato
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Aprovechamiento de cuerpos cetónicos
Los cuerpos cetónicos son oxidados en las mitocondrias, excepto las de los hepatocitos (no expresan tioforasa).
Los músculos y el corazón los aprovechan inmediatamente.
En el cerebro se requiere ayuno de más de 48 horas para inducir la expresión de 3-cetoacil-CoA transferasa (tioforasa), para permitir su aprovechamiento.
ß-hidroxibutirato es el más energético, por estar más reducido, y es el que más incrementa su concentración plasmática en el ayuno.
La cetogénesis ahorra aminoácidos gluconeogénicos.
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Producción y oxidación de cuerpos cetónicos
Para que ocurra síntesis de cuerpos cetónicos debe darse antes la lipólisis. Permite la oxidación del C de los ácidos grasos en tejidos donde éstos no llegan fácilmente. 
La cetogénesis ocurre ante baja disponibilidad de oxalacetato y alta oferta de AcCoA. (Hipoglicemia, ayuno prolongado, diabetes).
Aprovechamiento de cuerpos cetónicos
Los cuerpos cetónicos son los equivalentes hidrosolubles de los ácidos grasos.
Fin de la presentación 7.3
Metabolismo de lípidos
Oxidación de ácidos grasos
Síntesis y aprovechamiento de cuerpos cetónicos
Unidad 7. Estructura y metabolismo de lípidos