domingo, 7 de febrero de 2016

Metabolismo de lípidos

Movilización de las grasas y el colesterol

Los lípidos son sustancias de naturaleza eminentemente hidrofóbica y este hecho genera una serie de particularidades en su movilización y metabolismo en todo el organismo.
Las grasas o triacilgliceroles suponen la mayor parte de los lípidos que posee un organismo superior.
Un mamífero posee entre un 5% y un 25% de su peso en forma de lípidos y la mayor parte de estos son grasas.
Las grasas se almacenan en el tejido adiposo; más concretamente en los adipocitos, células especialmente dedicadas a tal función.
Aunque su papel metabólico principal es el de la generación de energía, a nivel fisiológico también cumplen otras funciones como amortiguador mecánico de impactos físicos, aislante térmico...
En los ácidos grasos de los triacilgliceroles encontramos, en general, el C en su máximo estado  de  reducción.  Este  hecho  implica  que  su  oxidación  a  través  del  metabolismo oxidativo, generará, en proporción, mayores cantidades de energía que una molécula de glucosa, por ejemplo.
Un hombre de unos 70 kg de peso poseerá el equivalente a alrededor de unos 400,000 kJ en forma de grasa corporal mientras que sus reservas de glucógeno ascienden a unos 2,500 kJ tan sólo.
Para muchos tejidos, las grasas suponen el principal combustible metabólico a emplear.
Los triacilgliceroles poseen 3 posibles procedencias:
1)     La alimentación o dieta,
2)       la biosíntesis en el hígado
3)       las reservas existentes en los adipocitos.
El principal inconveniente al que se han de enfrentar este tipo de moléculas en su utilización por parte del organismo proviene de su insolubilidad en el medio acuoso.
La absorción de las grasas procedentes de las dietas requiere de la emulsión de éstas por parte de las sales biliares.
La sales biliares son derivados de los esteroles y gracias a su particular composición y estructura poseen un carácter anfipático que les permite, por un lado, asociarse al medio acuoso y, por otro, a la grasa.
Las sales biliares son sintetizadas en la vesícula biliar del hígado y desde ahí son secretadas al intestino donde llevarán a cabo su función.
La digestión de las grasas que permite su captación por parte de las células del epitelio intestinal es producida por la lipasa pancreática.
Tras ser absorbidos los productos de digestión, se lleva a cabo la resíntesis de las grasas y desde allí son vertidas al torrente sanguíneo y linfático para ser distribuidas a lo largo de todo el cuerpo.
El transporte de estas grasas a través de un medio acuoso como es el sanguíneo o el linfático, requiere de su asociación a proteínas para formar la estructura conocida como lipoproteína; más concretamente, los quilomicrones.
Los componentes proteicos de las lipoproteínas reciben el nombre de apoproteínas y su síntesis se lleva a cabo en el hígado.
Las lipoproteínas se clasifican en familias en función de la densidad que ofrecen frente a la centrifugación. Puesto que los lípidos son moléculas de baja densidad, es el componente apoproteico de cada lipoproteína el que determinará dicha densidad.
Encontramos de menor a mayor densidad quilomicrones, VLDL, IDL, LDL y HDL.
El colesterol libre es cuando el OH del primer hexágono está libre y no lo está cuando el OH está unido a alguna cadena. Puede viajar de las dos maneras.

Cada una de estas lipoproteínas está especializada en el transporte de un tipo de lípidos concretos.
A  pesar  de  las  diferencias  a  nivel  de  composición  tanto  lipídica  como  proteica,  todos comparten una estructura común.
Algunas apoproteínas poseen un papel funcional, además de un papel estructural, como en el caso de la apo CII, que es un activador de la lipoproteína lipasa.
Los   quilomicrones   son   los   encargados   del   transporte    distribución   de   las   grasas provenientes de la dieta.
Las VLDL se encargan del transporte y distribución de la grasa generada en el hígado.
Una vez en los capilares de los tejidos de destino, las grasas son hidrolizadas ya que la apo CII es reconocida por la lipoproteína lipasa, una proteína ubicada en la superficie de las células del endotelio de los capilares.
Parte de dichos ácidos grasos liberados son absorbidos por las células endoteliales y desde ahí distribuidas a las células circundantes. Otra parte puede asociarse a la proteína albúmina y proseguir su viaje por el torrente sanguíneo hasta que el ácido graso es absorbido en algún punto de los capilares que riegan los tejidos periféricos.
En  consecuencia  con  lo  anterior,  la  VLDL  ve  empobrecido  su  contenido  en  grasas  y aumentado en proporción el contenido de colesterol (que también formaba parte tanto de quilomicrones  como  de  VLDLs).  Ésta  pasa  a  IDL.  De  manera  análoga,  el  quilomicrón procesado pasa a convertirse en resto de quilomicrón.
Ambos, IDLs y restos de quilomicrones, pueden dirigirse al hígado para ser eliminados.
El glicerol liberado en la hidrólisis de las grasas sería también devuelto al hígado para ser empleado en la gluconeogénesis.
El colesterol perteneciente a las lipoproteínas se encuentra en forma de colesterol libre y de ésteres de colesterol.
La enzima encargada de esterificar a las moléculas de colesterol es la lecitina:colesterol aciltransferasa (LCAT), enzima sintetizada en el hígado y desde allí secretada al torrente sanguíneo.
La LCAT transfiere una cadena de acilo desde la fosfatidilcolina (o lecitina) hacia el colesterol, de manera reversible.
En el caso de que la VLDL empobrecida en grasas (IDL) no regrese al hígado y prosiga su viaje por el torrente sanguíneo, el empobrecimiento en grasas se verá potenciado de tal manera que se alcance la situación de LDL. En este caso, el contenido de colesterol (ya sea libre o como éster de colesterol) se verá incrementado.
Conviene recordar que la VLDL parte del hígado, órgano donde se sintetizan las grasas (el tejido adiposo es un tejido dedicado al almacenaje, no a la síntesis de grasas) y que pasa al torrente  sanguíneo  desde  dicho  órgano  portando  colesterol  (el  colesterol  también  se sintetiza en el hígado). Así pues, puesto que en última instancia la LDL surge de la VLDL, se puede decir que su papel es el de distribuir el colesterol a los tejidos periféricos desde el hígado.
Este aporte de colesterol es fundamental ya que las células lo requieren como componente esencial de sus membranas plasmáticas.
La LDL completa es internalizada por las células de los tejidos periféricos empleando un mecanismo de endocitosis mediada por receptor.
Las células de los tejidos periféricos poseen en su membrana plasmática un receptor de LDL que reconoce la apoproteína B100 (única apoproteína de las LDL).
La LDL internalizada forma un endosoma que se fusiona con un lisosoma. Esta vesícula porta enzimas hidrolíticas que se encargan de degradar la lipoproteína de tal manera que los ésteres de colesterol pasan a colesterol libre y éste se dirige al RE para entrar en el proceso de generación de nueva membrana plasmática; la apoB100 se degrada y el receptor de LDL se redirige hacia la membrana plasmática.
Niveles  elevados  de  colesterol  libre  pueden  ejercer varios  efectos  reguladores  como  1) activar a la acil-­‐CoA: colesterol aciltransferasa (ACAT), una enzima encargada de acumular el exceso de colesterol libre en forma de gotas de éster de colesterol o 2) inhibir la síntesis de nuevo  receptor  de  LDL.  Mediante  este  segundo  mecanismo,  se  impide  que  las  células puedan seguir captando colesterol.
El exceso de colesterol circulante por los tejidos periféricos en forma de LDL puede desencadenar el desarrollo de placas de ateroma dando lugar a la patología conocida como aterosclerosis.
Finalmente, el exceso de colesterol (en forma de ésteres de colesterol) localizado en las células de los tejidos periféricos es ensamblado para formar las HDL en las zonas del torrente sanguíneo que rodean a estas células y desde allí se dirigen hacia el hígado donde son captadas por un mecanismo distinto al de endocitosis mediada por receptor.
En el hígado el exceso de colesterol es metabolizado para ser convertido en sal biliar que pueda ser secretada y excretada.


Apuntes:
Imágenes
De la biosíntesis de grasas y colesterol sale el VLDL. Sale también con una proporción determinada de colesterol (proporciones en la tabla).
La CII es reconocida por la lipoproteína quinasa, que además hidroliza la grasa para que pueda ser absorbida por el endotelio. Si quedaran ácidos grasos se asocian a una proteína, la albúmina, que transporta ácidos grasos por el torrente sanguíneo hasta diferentes destinos.
Si la VLDL vuelve al hígado por el torrente sanguíneo, se generan restos de quimiolicrón y se meten al hígado donde se ensamblan y repite la ruta. Según se empobrece de grasas, se produce una serie de cambios en la estructura de la lipoproteína lo que hace que la VLDL evoluciona a IDL. La IDL puede volver al hígado o se sigue empobreciendo en grasas y evoluciona a LDL, que contiene solo apoB100 como componente apoproteíco. Cuando ha evolucionado LDL es cuando se absorbe por un mecanismo distinto de las otras grasas. Hay receptores para la apoB100 que cuando lo reconocen absorben toda la apoproteína.
El colesterol se puede almacenar o enviar a la membrana plasmática. Cuando se almacena en la célula se mete en vesículas esterificado uniéndose con lisosomas formando un endosoma. Esterificarlo supone la activación de la enzima LCAT o ACAT que coge un ácido graso que se lo pasa al hidróxido del carbono 3 para esterificarlo. En la membrana plasmática el colesterol es libre y para llegar allí, el colesterol se va unir a retículo endoplasmático que se está formando y así acaba en la membrana. Los receptores de apoB100 son redirigidos a la membrana plasmática y los componentes de la apoB100 son degradados.
Lo que impide que la VLDL sea absorbida así (también tiene apoB100) son las otras apoproteínas que enmascaran la presencia de la apoB100.
El colesterol que se genera en el hígado viaja a los tejidos periféricos por el torrente sanguíneo unido a LDL. Por tanto la función de LDL es transportar el colesterol desde el hígado a los tejidos periféricos. La HDL hace lo contrario y el colesterol es procesado formando sal biliar que se secreta al intestino para  saponificar las grasas en el medio acuoso del intestino para ser reconocida por la hidrolasa pancreática. Eliminando así colesterol. Por eso es considerado colesterol bueno.
Lo glóbulos blancos fagocitan las LDL.

Movilización de las grasas almacenadas

El transporte de las grasas obtenidas de la dieta y su posterior almacenaje en el tejido adiposo no se encuentra regulado. De ahí que un exceso de grasas en la dieta conduzca a una patología de obesidad.
Sin embargo, la movilización de dichas grasas almacenadas se encuentra regulada de manera hormonal.
Niveles  elevados  de  hormonas  como  el  glucagón,  la  adrenalina  o  la  β-­‐corticotropina conducen a una activación de la adenilato ciclasa, que eleva los niveles de cAMP.
El cAMP activa a la proteína quinasa A que, a su vez, activa por fosforilación a la triacilglicerol lipasa o lipasa sensible a las hormonas. Esta enzima se encarga de generar una molécula de ácido graso libre y una de diacilglicerol.
Posteriormente, una acción combinada de una diacilglicerol lipasa y una monoacilglicerol lipasa conduce a la liberación de las dos cadenas restantes de ácido graso y de la molécula de glicerol.
El glicerol es transportado al hígado, principalmente, para servir de precursor gluconeogénico.
Los ácidos grasos salen de los adipocitos al torrente sanguíneo y allí se asocian a la albúmina para   ser   transportados   hasta   sus   tejidos   diana   donde   serán   empleados   con   fines degradativos o sintéticos.

Beta oxidación de los ácidos grasos

La β-­‐oxidación es la ruta destinada a la degradación de los ácidos grasos con el objetivo de generar acetil-­‐CoA y ATP.
Es una ruta localizada en la matriz mitocondrial por lo que requiere que el ácido graso presente en el citoplasma de la célula (sea cual sea su procedencia) pueda ser conducido al interior de dicho orgánulo.
Dicho transporte requiere de la activación de la cadena de ácido graso por medio de una serie de enzima denominadas acil-­‐CoA ligasas de cadena corta, media o larga (en función de la longitud de la cadena de ácido graso).
La gran mayoría de ácidos grasos presentes en la célula son de cadena larga y la acil-­‐CoA ligasa correspondiente se sitúa en la membrana exterior de la mitocondria. En la reacción de activación se consume un ATP (generando AMP y PPi, que es equivalente al consumo de 2 ATPs).
El transporte al interior de la matriz mitocondrial requiere de un sistema de transporte conocido como transportador carnitina aciltransferasa.
*Carnitina es una molécula en cuyo extremo hay un tiol por lo que como se sustituye un tioester por otro tioester por lo que se pasa a otro igual y se queda con la misma naturaleza de alta energía (Al pasar de ácido graso-CoA a ácido graso-carnitina).

El sistema consta de dos transportadores de membrana asociados a la actividad de otras dos proteínas de membrana (no transportadoras) denominadas carnitina aciltransferasa I y carnitina aciltransferasa II. El sistema emplea como intermedio una molécula de carnitina.
El sistema es crítico pues (a parte del punto de control que supone la acción de la triacilglicerol lipasa, sujeta a control hormonal) la carnitina aciltransferasa I se ve inhibida por el malonil-­‐CoA (intermediario de la biosíntesis de ácidos grasos).
Las enzimas que constituyen la β-­‐oxidación no están sujetas a control de ningún tipo por lo que la degradación de ácidos grasos se controla recíprocamente con su biosíntesis y este control incide en el aporte de sustratos a la ruta.
La β-oxidación está constituida por 4 reacciones catalizadas por
1)       la acil-­‐Coa deshidrogenasa,
2)       la enoil-­‐CoA hidratasa,
3)       la 3-­‐hidroxiacil-­‐CoA deshidrogenasa
4)       β-­‐ cetotiolasa.
La   acil-­‐Coa   deshidrogenasa  emplea  como  coenzima  el  FADH2    y  la  3-­‐hidroxiacil-­‐CoA deshidrogenasa NADH.
La acción combinada de estas 4 reacciones da lugar a 1 molécula de acilo reducida en 2 átomos de C y 1 molécula de acetil-CoA.
La ruta consistirá en la sucesión de ciclos de β-­‐oxidación hasta que toda la cadena de acil-­‐ CoA se haya degradado a acetil-­‐CoA (siempre y cuando se trate de ácidos grasos de cadena par). En la última ronda, una molécula de butiril-­‐CoA se degradará para generar 2 moléculas de acetil-­‐CoA.
La molécula de ácido palmítico (ácido graso saturado de cadena par) requerirá de 7 rondas de β-­‐oxidación.
En una ronda de β-­‐oxidación se libera 1 molécula de acetil-­‐CoA (salvo en la última ronda, en la que se liberan 2), 1 de FADH2 y 1 de NADH y se consume 1 de CoASH.
La degradación del ácido palmítico requiere de 7 rondas de β-­‐oxidación. Así,

Cada molécula de acetil-­‐CoA que va al ciclo de Krebs, generaba 2 CO2, 3 NADH, 1 FADH2 y 1 GTP (ATP). De esta manera, el rendimiento global de la degradación del ácido palmítico es de
Comparación ácidos grasos y glucosa:
129/16= 8,0625
38/6= 6,33
No hacen falta lanzaderas, ya está en la matriz mitocondrial.

AMP + ATP ßà 2ADP
El AMP no se puede utilizar ni en la fosforilación a nivel de sustrato ni fosforilación oxidativa. Para que sea reutilizado se consume un segundo ATP y se generan 2 ADP que sí son utilizados.

Para ácidos grasos insaturados

Debemos distinguir entre ácidos grasos monoinsaturados y ácidos grasos poliinsaturados.
Ya que la enoil-­‐CoA hidratasa tan sólo actúa sobre insaturaciones trans y que las insaturaciones de los ácidos grasos son de isomería cis, se requiere la acción de 2 enzimas adicionales: la enoil-­‐CoA isomerasa y la 2,4-­‐dienoil-­‐CoA reductasa.
Los ácidos grasos monoinsaturados requieren únicamente de la acción de la enoil-­‐CoA isomerasa, mientras que los poliinsaturados requieren de la acción combinada de la enoil-­‐ CoA isomerasa y la 2,4-­‐dienoil-­‐CoA reductasa.
1.       Para el ácido graso oleico…
El proceso comienza con la activación del ácido graso en el citosol por medio de las acil-­‐CoA ligasas y su transporte a la matriz mitocondrial empleando los sistemas carnitina aciltransferasa I y II.
Una vez en el interior de la mitocondria, el ácido graso sufre 3 rondas de β-­‐oxidación estándares. Se genera entonces un ácil-­‐CoA de 12 átomos de C con una insaturación cis en el C 3.
La insaturación no puede ser atacada por la enoil-­‐CoA hidratasa pues se encuentra en una posición e isomería inadecuadas. La enoil-­‐CoA  isomerasa transforma la insaturación cis-­‐Δ3 en una trans-­‐Δ2 sobre la que podrá actuar la enoil-­‐CoA hidratasa.
A partir de este punto, la degradación prosigue su curso normal.
Hay una reducción de la eficiencia metabólica puesto que la presencia de la insaturación ha impedido la acción de acil-­‐CoA deshidrogenasa precisamente en la ronda en la que la propia insaturación ha sido metabolizada. Se genera un FADH2 menos.
Nº rondas= 18/2 -1= 8 rondas
7 FADH2, 8 NADH

B-oxidación:
8 NADH
7 FADH2
9 Acetil CoA:
27 NADH
9 FADH2
9 GTP

Total: 146 GTP (-2 ATP) = 144 ATP

Para el ácido linoleico...
De nuevo, se activa el ácido graso y sjne transporta hacia la matriz mitocondrial para su procesamiento.
Tienen lugar 3 rondas de β-­‐oxidación estándares. Entonces se alcanza la primera de las insaturaciones y se genera un acil-­‐CoA con 2 insaturaciones en cis en los C´s 3 y 6.
La enoil-­‐CoA isomerasa se encarga de procesar la insaturación en el C 3 de la misma manera que en el caso anterior. Esto permite completar una nueva ronda de β-­‐oxidación.
Se genera un acil-­‐CoA con una única insaturación en cis pero, al contrario de lo que ha sucedido antes, en la posición C4. En este caso, actúa, en primer lugar, la acil-­‐CoA deshidrogenasa.para introducir una insaturación en trans en el C2. Entonces interviene la 2,4-­‐dienoil-­‐CoA  reductasa (que  emplea como coenzima NADPH) para  generar una  única insaturación en cis en el C3, saturación susceptible de ser metabolizada por la enoil-­‐CoA isomerasa.
Una  vez  que  se  ha  generado  la  insaturación  en  trans  en  el  C2  interviene la  enoil-­‐CoA hidratasa y prosigue el ciclo normalmente
Al igual que sucedía con el ácido oleico, en este caso el rendimiento energético se va a ver reducido por la presencia de las insaturaciones.
2.       Para los ácidos grasos de cadena impar.
En este caso, la oxidación sigue las rondas habituales de β-­‐oxidación hasta que se llega a la última de ellas. Se obtiene un homólogo del acetoacetil-­‐CoA de 5 átomos de C. Al procesarse este compuesto, en la rotura tiólica, se generará 1 molécula de acetil-­‐CoA y 1 de propionil-­‐ CoA, en lugar de 2 moléculas de acetil-­‐CoA.
El propionil-­‐CoA  no puede entrar directamente en el ciclo de Krebs como el acetil-­‐CoA  y requiere de un procesamiento mayor.
En primer lugar, el propionil-­‐CoA se carboxila por la propionil-­‐CoA carboxilasa para generar D-­‐metilmalonil-­‐CoA (y consumiento 1 ATP).
El D-­‐metilmalonil-­‐CoA se transforma en L-­‐metilmalonil-­‐CoA por medio de la metilmalonil-­‐CoA epimerasa.
El L-­‐metilmalonil-­‐CoA se transforma en succinil-­‐CoA a través de la acción de la metilmalonil-­‐ CoA mutasa.
El succinil-­‐CoA puede proseguir su camino en el ciclo de Krebs.

Regulación de la oxidación de los ácidos grasos

El control de la oxidación de los ácidos grasos se produce: 1) controlando de manera hormonal la degradación de los triacilglicéridos para generar glicerol y ácidos grasos libres (triacilglicerol lipasa o lipasa sensible a hormonas) y 2) controlando la disponibilidad de sustrato para la propia β-­‐oxidación.
Con respecto a 2), el aporte de acil-­‐CoA a la matriz mitocondrial se controla por medio del sistema de transportadores carnitina aciltransferasa.

Más  concretamente, la  carnitina  aciltransferasa I  es  inhibida  por  la  malonil-­‐CoA,  primer intermediario de la síntesis de los ácidos grasos.
De  esta  manera,  la  síntesis  de  ácidos  grasos  es  capaz  de  inhibir  el  propio  proceso  de degradación de los ácidos grasos.

Cetogénesis

El destino metabólico del acetil-­‐CoA no se limita a una degradación directa a través del ciclo de Krebs o su uso como precursor de la síntesis de ácidos grasos.
En el hígado existe una tercera vía para aquellas situaciones en las que la célula es incapaz de metabolizar más acetil-­‐CoA por alguna de estas dos vías.
La cetogénesis tiene lugar en la mitocondria de las células hepáticas y genera los denominados cuerpos cetónicos. Estos compuestos son de vital importancia para el metabolismo energético de algunos órganos como el corazón o el cerebro El corazón utiliza la cetogénesis en condiciones normales mientras que el cerebro la utiliza en condiciones de ayuno o diabetes mal controlada. Hay un olor característico a acetona.
*La cetogénesis es una enfermedad común en niños pequeños menores de 10 años.

El proceso se inicia con la condensación a través de la β-­‐cetotiolasa de 2 acetil-­‐CoA para regenerar acetoacetil-­‐CoA.
El acetoacetil-­‐CoA  reacciona con 1 molécula más de acetil-­‐CoA  para generar β-­‐hidroxi-­‐β-­‐metilglutaril-­‐CoA (HMG-­‐CoA) por la acción de la HMG-­‐CoA sintasa.
El HMG-­‐CoA  reacciona por medio de la HMG-­‐CoA  liasa para dar lugar    a acetoacetato y acetil-­‐CoA.
El acetoacetato puede: 1) descarboxilarse de manera espontánea para generar acetona y CO2 o 2) reducirse a β-­‐hidroxibutirato por la β-­‐hidroxibutirato deshidrogenasa (dependiente de NADH).

El acetoacetato, la acetona y el β-­‐hidroxibutirato constituyen los denominados cuerpos cetónicos.
Son vertidos al torrente sanguíneo y desde allí, trasladados a otros tejidos donde serán empleados.
Al alcanzar los tejidos diana, el objetivo es regenerar el acetil-­‐CoA para que en esta ocasión se emplee en el ciclo de Krebs o como precursor de los ácidos grasos.
La β-­‐hidroxibutirato deshidrogenasa se encarga de transformar el β-­‐hidroxibutirato en acetoacetato (La HMG-CoA liasa es muy irreversible, por lo que hace falta otra enzima, la b-hidroxibutirato deshidrogenasa, para hacer la inversión). El acetoacetato se transforma en acetoacetil-­‐CoA gracias a la acción de la 3-­‐ cetoacil-­‐CoA transferasa. Finalmente, el acetoacetil-­‐CoA se fragmenta en 2 moléculas de acetil-­‐CoA por la β-­‐cetoBolasa.


En todos los casos se activa la adenilato ciclasa.
La PKA uno de sus sustratos es la lipasa sensible a  hormonas.






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