BQ
ORIENTACIÓN FIR
Rendimiento por asignatura (preguntas por página)
Número medio de preguntas (de los últimos 18 años)
3,4
23
Bioquímica es la cuarta asignatura en orden de importancia del FIR, de la que normalmente caen de 20 a 25 preguntas cada año. Es una asignatura bonita, aunque suele crear respeto y algo de temor durante la carrera, por la cantidad de compuestos biológicos y vías metabólicas que aborda. Sin embargo, si se trata de entender las bases bioquímicas, teniendo en cuenta qué y cómo se suele preguntar, su estudio resulta mucho más eficiente. Los temas más preguntados corresponden al Metabolismo de Lípidos y Glúcidos, seguidos del tema de Enzimas, coenzimas y vitaminas, del que una gran parte de los conceptos se irán viendo también a lo largo de todo el manual. Como últimos tres temas de mayor importancia están las Proteínas (tanto la parte de Estructura como de Metabolismo) y el Metabolismo de Nucleótidos.
Orientación FIR
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ÍNDICE PARTE I. BIOQUÍMICA ESTRUCTURAL....................................................................................................................11 TEMA 1. ESTRUCTURA DE GLÚCIDOS.............................................................................................................11
1.1. Monosacáridos....................................................................................................................................... 11 1.2. Oligosacáridos........................................................................................................................................ 14 1.3. Polisacáridos (>20 monosacáridos).......................................................................................................... 15 1.4. Glucoconjugados.................................................................................................................................... 17 1.5. Análisis de glúcidos................................................................................................................................. 17
TEMA 2.
TEMA 3.
ESTRUCTURA DE NUCLEÓTIDOS.......................................................................................................39 ENZIMAS, COENZIMAS Y VITAMINAS..............................................................................................41
5.1. Clasificación de enzimas......................................................................................................................... 41 5.2. Actividad enzimática............................................................................................................................... 41 5.3. ¿Cómo funcionan los enzimas?............................................................................................................... 42 5.4. Cinética enzimática................................................................................................................................. 43 5.5. Regulación de la actividad enzimática..................................................................................................... 46 5.6. Coenzimas.............................................................................................................................................. 48 5.6.1. Coenzimas Vitamínicos........................................................................................................................... 48 5.6.2. Coenzimas No Vitamínicos...................................................................................................................... 49 5.7. Vitaminas................................................................................................................................................ 51
TEMA 6.
ESTRUCTURA DE PROTEÍNAS Y AMINOÁCIDOS...............................................................................27
3.1. Aminoácidos........................................................................................................................................... 27 3.1.1. Aminoácidos no estándar........................................................................................................................ 29 3.1.2. Propiedades ópticas de los aminoácidos.................................................................................................. 29 3.1.3. Estado de ionización de los aminoácidos................................................................................................. 30 3.2. Péptidos.................................................................................................................................................. 31 3.3. Proteínas................................................................................................................................................. 31 3.3.1. Niveles estructurales de las proteínas....................................................................................................... 31 3.3.2. Plegamiento anómalo de las proteínas.................................................................................................... 33 3.3.3. Secuenciación de aminoácidos de proteínas............................................................................................ 33 3.3.4. Clasificación de las proteínas................................................................................................................... 34
TEMA 4. TEMA 5
ESTRUCTURA DE LÍPIDOS.................................................................................................................19
2.1. Clasificación estructural de lípidos........................................................................................................... 19 2.2. Lípidos de almacenamiento energético.................................................................................................... 19 2.2.1. Ácidos grasos (AG).................................................................................................................................. 19 2.2.2. Derivados de ácidos grasos..................................................................................................................... 20 2.3. Lípidos estructurales de las membranas................................................................................................... 21 2.3.1. Glicerofosfolípidos.................................................................................................................................. 21 2.3.2. Esfingolípidos.......................................................................................................................................... 22 2.3.3. Esteroles................................................................................................................................................. 23 2.4. Lípidos como señales y cofactores........................................................................................................... 24 2.4.1. Fosfatidilinositol...................................................................................................................................... 24 2.4.2. Eicosanoides........................................................................................................................................... 24 2.4.3. Hormonas esteroideas............................................................................................................................. 25 2.4.4. Cofactores enzimáticos........................................................................................................................... 26 2.4.5. Transportadores de electrones................................................................................................................ 26 2.4.6. Dolicoles................................................................................................................................................. 26
BIOELEMENTOS Y AGUA..................................................................................................................52
6.1. Bioelementos.......................................................................................................................................... 52 6.2. El agua................................................................................................................................................... 54
PARTE II. METABOLISMO.......................................................................................................................................57 TEMA 7. METABOLISMO DE GLÚCIDOS..........................................................................................................57
7.1. Catabolismo Glúcidos............................................................................................................................. 57 7.1.1. Glucólisis................................................................................................................................................ 57 7.1.2. Metabolismo de otros glúcidos............................................................................................................... 64 7.1.3. Ruta de las Pentosas Fosfato (o del fosfogluconato)................................................................................ 67 7.1.4. Ruta del Glucuronato.............................................................................................................................. 68 7.2. Biosíntesis Glúcidos: Gluconeogénesis..................................................................................................... 69 7.2.1. Rutas alimentadoras de la GNG............................................................................................................... 71 7.2.2. Regulación GNG..................................................................................................................................... 72
Índice
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7.3. 7.3.1. 7.3.2. 7.3.3. 7.3.4.
Metabolismo Glucógeno......................................................................................................................... 74 Glucogenólisis o catabolismo glucógeno................................................................................................. 74 Síntesis glucógeno (Glucogenogénesis)................................................................................................... 74 Regulación del metabolismo del glucógeno............................................................................................. 75 Patología: Glucogenosis.......................................................................................................................... 78
TEMA 8.
CICLO DEL ÁCIDO CÍTRICO (CICLO DE KREBS O CICLO DE LOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS)...........79
¿De dónde proviene el Acetil-CoA?......................................................................................................... 80 Reacciones destacadas del ciclo del ácido cítrico...................................................................................... 81 Peculiaridades del ciclo del ácido cítrico................................................................................................... 82 Regulación de ciclo del ácido cítrico........................................................................................................ 83
8.1. 8.2. 8.3. 8.4.
TEMA 9.
TEMA 10.
METABOLISMO DE NUCLEÓTIDOS...................................................................................................119
11.1. Biosíntesis de nucleótidos........................................................................................................................ 119 11.1.1. Síntesis de nucleótidos de purina............................................................................................................ 119 11.1.2. Síntesis de nucleótidos de pirimidina....................................................................................................... 121 11.1.3. Producción de desoxirribonucleótidos..................................................................................................... 122 11.2. Degradación de nucleótidos.................................................................................................................... 123 11.2.1. Degradación de nucleótidos de purina.................................................................................................... 123 11.2.2. Degradación de nucleótidos de pirimidina............................................................................................... 123 11.3. Enfermedades del metabolismo de nucleótidos....................................................................................... 124
TEMA 12.
METABOLISMO DE PROTEÍNAS Y AMINOÁCIDOS............................................................................107
10.1. Eliminación del grupo α-amino................................................................................................................ 107 10.2. Eliminación de los esqueletos carbonados............................................................................................... 111 10.2.1. Cofactores en el metabolismo de los aminoácidos................................................................................... 112 10.2.2. Metabolismo del esqueleto carbonado de aminoácidos específicos......................................................... 112 10.2.3. Enfermedades hereditarias en el metabolismo de aminoácidos................................................................ 116 10.2.4. Otros derivados de aminoácidos.............................................................................................................. 116
TEMA 11.
METABOLISMO DE LÍPIDOS..............................................................................................................85
9.1. Catabolismo ácidos grasos y lipólisis........................................................................................................ 85 9.1.1. ¿De dónde provienen los ácidos grasos?................................................................................................. 85 9.1.2. Degradación ácidos grasos...................................................................................................................... 86 9.2. Biosíntesis Lípidos................................................................................................................................... 90 9.2.1. Biosíntesis Ác. Grasos o Lipogénesis........................................................................................................ 90 9.2.2. Biosíntesis Triacilglicéridos y Fosfolípidos de membrana........................................................................... 94 9.3. Metabolismo de colesterol...................................................................................................................... 97 9.3.1. Síntesis del colesterol.............................................................................................................................. 97 9.3.2. Eliminación del colesterol........................................................................................................................ 99 9.3.3. Otros destinos del colesterol................................................................................................................... 99 9.4. Metabolismo de lipoproteínas................................................................................................................. 101 9.4.1. Tipos de lipoproteínas............................................................................................................................. 101 9.4.2. Dislipidemias........................................................................................................................................... 104 9.5. Metabolismo de cuerpos cetónicos......................................................................................................... 105 9.5.1. Síntesis de los cuerpos cetónicos (Cetogénesis)....................................................................................... 105 9.5.2. Oxidación de los cuerpos cetónicos (Cetólisis)......................................................................................... 106
ATP EN EL METABOLISMO...............................................................................................................126
12.1. Fosforilación a nivel de sustrato............................................................................................................... 126 12.2. Cadena de transporte electrónico y fosforilación oxidativa...................................................................... 126 12.2.1. Cadena de transporte electrónico........................................................................................................... 126 12.2.2. Síntesis de ATP........................................................................................................................................ 127 12.2.3. Sistemas de transporte de membrana..................................................................................................... 128 12.2.4. Enfermedades que afectan a la fosforilación oxidativa............................................................................. 130 12.3. Degradación de ATP............................................................................................................................... 130
APÉNDICE PATRÓN DE HERENCIA DE ENFERMEDADES VISTAS............................................................................131 BIBLIOGRAFÍA........................................................................................................................................................132
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Índice
Bioquímica TEMA 9
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METABOLISMO DE LÍPIDOS Enfoque FIR
Es, sin duda, el tema más importante de la asignatura. En la parte de catabolismo, prestar especial atención a los productos finales de la oxidación de AG y a las patologías de las rutas peroxisomales. La parte de biosíntesis tiene menos peso, pero debes poner atención al complejo AG sintasa. Muy importante el cuadro de esfingolipidosis. Del colesterol es necesario que controles tanto su síntesis y regulación, como su eliminación. El metabolismo de las lipoproteínas es uno de los puntos más importantes, sobre todo las dislipidemias (tabla muy importante). El metabolismo de los cuerpos cetónicos suele preguntarse menos.
9.1. Catabolismo ácidos grasos y lipólisis Como ya vimos en el catabolismo de Glúcidos, otra fuente importante de combustible son los Ácidos grasos. De hecho, los triacilglicéridos del tejido adiposo suponen la fuente de energía más abundante almacenada en el organismo (FIR 2010, 181). En este capítulo veremos de dónde provienen los ác. Grasos y cómo son oxidados a Acetil-CoA (β-oxidación). (Ver figura 1)
9.1.1. ¿De dónde provienen los ácidos grasos? Existen 3 fuentes principales de ácidos grasos en el organismo: - Los consumidos en la dieta. - Los almacenados en el tejido adiposo. - Los sintetizados en el hígado y exportados para ser almacenados (p. ej., el exceso de glúcidos en la dieta).
Grasas de la dieta
Figura 1. Esquema general del catabolismo de glúcidos, ácidos grasos y aminoácidos.
Los triacilgliceroles (TAG=TG) consumidos en la dieta se emulsionan con las sales biliares para formar micelas microscópicas. Las lipasas intestinales (ver Tema 13.3. del Manual de Fisiología) hidrolizan los TG de las micelas en monoglicéridos, diglicéridos, ác. grasos libres y glicerol.
Movilización de triacilglicéridos almacenados o Lipólisis
Estos productos son absorbidos principalmente en el duodeno, reconvertidos en TG e incorporados, junto con colesterol y proteínas específicas, a los quilomicrones, que pasan de la mucosa intestinal al sistema linfático y de éste, a la sangre (FIR 2002, 155). Son transportados por el sistema circulatorio hasta el músculo y el tejido adiposo, dónde la lipoproteína lipasa liberará ác. grasos (AG) y glicerol de los quilomicrones (ver Tema 9.4):
Cuando existe necesidad de energía se movilizan los TG almacenados en el tejido adiposo y son transportados a los tejidos donde pueden ser degradados a ác. Grasos.
- En el músculo los AG serán oxidados para obtener energía. - En el tejido adiposo se reesterificarán a TG y se almacenarán. El resto TG que queda en los quilomicrones llegan al hígado dónde podrán ser degradados para obtener energía o usarse como precursores en la síntesis de cuerpos cetónicos.
Los triacilglicéridos (también llamados triglicéridos, triacilgliceroles o grasas neutras) están almacenados formando gotículas revestidas por Perilipinas, unas proteínas que evitan la movilización de estos triglicéridos.
En respuesta a ciertas hormonas, el AMP cíclico (AMPc) activa una proteína quinasa dependiente de AMPc (PKA) que fosforila la Perilipina A (de la superficie de las gotículas) y la Triglicérido lipasa o Lipasa sensible a hormonas (Fosforilada = Activa) (FIR 2012, 126; FIR 2010, 176). La Perilipina Fosforilada moviliza a la Lipasa sensible a hormonas Activada a la superficie de las gotículas, donde libera ác. Grasos que pasan a la circulación. En la sangre circulan unidos a albúmina (ya que no son solubles) y son transportados a otros tejidos, dónde serán degradados. (Ver figura 2 en la página siguiente)
Metabolismo de lípidos
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Figura 2. Lipólisis.
Regulación de la lipólisis La Adrenalina y el Glucagón se liberan en respuesta a bajos niveles de glucosa en sangre, y activan la adenilciclasa, aumentando los niveles de AMPc. Activan la lipólisis. Por otro lado, la Insulina liberada cuando aumentan los niveles de glucosa en sangre, inhibe la adenilciclasa, disminuyendo los niveles de AMPc e inhibiendo la lipólisis.
GLUCAGÓN ADRENALINA
↑ AMPc
(FIR 2011, 187; FIR 2007, 253)
↓ AMPc
INSULINA
Activa lipólisis
Inhibe lipólisis
Tabla 1. Regulación de la lipólisis.
9.1.2. Degradación ácidos grasos Consiste en la oxidación de ácidos grasos (AG) a Acetil-CoA. Se da prácticamente en todos los tejidos pero sobre todo, en el hígado. Fundamentalmente, tiene lugar en la matriz mitocondrial (FIR 2001, 173) dónde se encuentran los enzimas responsables de la ruta, aunque en el transporte de los AG hasta el interior de la mitocondria se dan una serie de pasos en el citosol y en la membrana mitocondrial. Podemos diferenciar dos etapas en la degradación de AG: - Entrada en la matriz mitocondrial: Una vez dentro de la célula, los AG no pueden atravesar la membrana mitocondrial. Necesitan ser activados y transportados a través de la membrana mitocondrial. - β-Oxidación: Una vez tenemos el AG activado dentro de la mitocondria, se oxida finalmente a Acetil-CoA.
Destino del Glicerol Además de ác. Grasos, también se libera Glicerol que se degradada por la vía glucolítica, aunque sólo supone un 5% de la energía obtenida de los TG. Los pasos que sigue para entrar en la glucólisis son los siguientes:
Activación y transporte La mayoría de AG necesitan transportadores para atravesar la membrana mitocondrial (los AG con cadena <12 C, pueden atravesarla sin ayuda). La entrada en la mitocondria se divide en: Activación del AG
Recuerda... El Glicerol también es un precursor de la GNG.
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Metabolismo de lípidos
El AG se activa en el citoplasma mediante la Acil-CoA sintetasa, que se encuentra en la cara externa de la membrana mitocondrial externa. En esta reacción se produce la hidrólisis de ATP a AMP y PPi (equivalente a la hidrólisis de 2 moléculas de ATP=rotura pirofosfatolítica → ver Tema 12) y da lugar a Acil Graso-CoA (AG Activado).
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β-Oxidación El AG activado, una vez en la matriz mitocondrial, es oxidado secuencialmente liberando cada vez 2C en forma de Acetil-CoA (FIR 2008, 179). Para describir la β-Oxidación, empezaremos por el caso sencillo de un AG completamente saturado y con un número par de átomos de carbono. Los precursores de la carnitina son los Aa: Lisina y Metionina (FIR 2004, 148).
Después explicaremos los pasos adicionales para AG insaturados y para AG de cadena impar. β-Oxidación de AG saturados y cadena PAR
Transporte hacia la matriz mitocondrial Para atravesar la membrana mitocondrial el Acil graso-CoA necesita ser transportado por la Lanzadera de Carnitina. Transcurre en 3 pasos: 1. El Acil graso-CoA se une a Carnitina mediante la enzima carnitina aciltransferasa I o carnitina palmitoil transferasa I (CAT-1=CPT-1) que se encuentra en la membrana mitocondrial externa. El acil graso unido a carnitina atraviesa la membrana mitocondrial externa.
La oxidación se produce en una secuencia repetitiva de 4 reacciones que empiezan por el extremo carboxilo de la cadena del Acil graso-CoA. 1. Deshidrogenación: Genera un doble enlace con configuración TRANS entre C2 y C3. El enzima que cataliza la reacción es la Acil-CoA deshidrogenasa y se genera un FADH2 (FIR 2010, 177). 2. Hidratación: La Enoil-CoA hidratasa adiciona una molécula de agua sobre el doble enlace TRANS.
¡Ojo! Los AG insaturados naturales tienen enlaces CIS. 2. Ahora el Acil graso-Carnitina penetra en la matriz mitocondrial gracias al transportador Acil-carnitina/Carnitina, localizado en la membrana mitocondrial interna. 3. La carnitina aciltransferasa II o carnitina palmitoil transferasa II (CAT-2=CPT-2), localizada en la cara interna de la membrana mitocondrial interna, regenera el Acil grasoCoA en la matriz mitocondrial.
(Ver figura 3)
Recuerda... FAD es coenzima de: - PDH (C. Krebs) - α-cetoglutarato DH (C. Krebs) - Succinato DH (C. Krebs) - Acil-CoA DH (β-oxidación) - α-Cetoácido deshidrogenasa de cadena ramificada (degradación de aminoácidos de cadena ramificada)
3. Deshidrogenación: Se forma una cetona (β-ceto-acil-CoA) y un NADH (FIR 2010, 177). La reacción está catalizada por la β-hidroxiacilCoA deshidrogenasa.
La entrada de AG por la lanzadera de carnitina, es el paso limitante en la oxidación de AG y, por lo tanto, un punto de regulación. Un déficit de carnitina no permite que la β-oxidación tenga lugar (FIR 2013, 134; FIR 2011, 186; FIR 2009, 154).
Figura 3. Reacciones que tienen lugar en la Lanzadera de Carnitina. El esqueleto del AG se encuentra rodeado en verde.
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afiracademia.com 4. Liberación Acetil-CoA: La Acil-CoA acetiltransferasa o tiolasa separa el fragmento carboxilo terminal de 2C (Acetil-CoA) y adiciona otro grupo CoA a la cadena restante. Como hemos comentado, estos 4 pasos se repiten y por cada ciclo que pasa rinde: (+)1 Acetil-CoA (2C). (+)1 FADH2. (+)1 NADH. (Ver figuras 4 y 5) El Acetil-CoA puede continuar su degradación en el ciclo del ác. Cítrico y los electrones, acumulados en coenzimas FADH2 y NADH (generados en la β-oxidación y el ciclo del ác. cítrico), proporcionarán ATP mediante la Fosforilación Oxidativa. El rendimiento energético (ATP) de la oxidación completa de un AG se puede calcular con el ejemplo de la tabla 2 (ver en la página siguiente). β-Oxidación de AG insaturados Suponen la mayoría de AG de animales y plantas y presentan dobles enlaces en configuración CIS, de manera, que la EnoilCoA hidratasa (2.ª reacción de la ruta anterior) no puede actuar. Para los AG MONO-insaturados se necesita una encima adicional, la Enoil-CoA isomerasa, que cambia la configuración del doble enlace a TRANS para que la Enoil-CoA hidratasa pueda actuar. El resto de las reacciones suceden como en la β-Oxidación de AG Saturados. Para los AG POLI-insaturados, además de la Enoil-CoA isomerasa también interviene la 2,4-dienoil-CoA reductasa. La ruta empieza igual que hemos visto en el caso de AG saturados, y estos enzimas adicionales intervienen sólo al llegar a la insaturación. Una vez se separan los 2C que contenían el doble enlace, en forma de Acetil-CoA, el resto de la cadena seguirá oxidándose como vimos en la oxidación de AG saturados, hasta volver a llegar a una nueva insaturación.
Al tener ya dobles enlaces, la 1.ª reacción de la β-Oxidación de AG Saturados no es necesaria en esa vuelta de oxidación. ¡Entonces por cada insaturación que exista en la cadena del AG se formará un FADH2 menos!
β-Oxidación de AG de cadena impar
Figura 4. β-Oxidación de AG saturados de cadena par.
Los AG de cadena IMPAR se oxidan con la misma ruta que los AG de cadena PAR. Sin embargo, en el último ciclo de oxidación se desprende una molécula de Acetil-CoA (2C) y el fragmento que queda es Propionil-CoA (3C) (FIR 2004, 149). El Acetil-CoA, como ya hemos visto, puede oxidarse en el ciclo del ácido cítrico, pero el Propionil-CoA sigue una ruta en la que participan 3 enzimas. (Ver figura 6 en la página siguiente)
Figura 5. Reacciones de deshidrogenación e hidratación de la β-oxidación de AG.
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EJEMPLO ÁCIDO PALMÍTICO (16 C) Nº de acetil-CoA = Nº de C del AG/2
Cada acetil-CoA rendirá 12 ATP (10 ATP) en el ciclo de Krebs-cadena respiratoria (ver Tema 8)
Nº de acetil-CoA = 16/2 = 8 8 × 12 = 96 ATP (8 × 10 = 80 ATP)
Nº de NADH = Nº de acetil-CoA − 1
Cada NADH rendirá 3 ATP (2,5 ATP) en la cadena respiratoria
Nº de NADH = 8 − 1 = 7 7 × 3 = 21 ATP (7 × 2,5 = 17,5 ATP)
Nº de FADH2 = Nº de NADH
Cada FADH2 rendirá 2 ATP (1,5 ATP) en la cadena respiratoria
Nº de FADH2 = 7 7 × 2 = 14 ATP (7 × 1,5 = 10,5 ATP)
Activación del ácido graso (¡no nos olvidemos!)
Se emplean 2 ATP
(-)2ATP Rendimiento global de la oxidación completa del palmitato: 96 + 21 + 14 − 2 = 129 ATP (80 + 17.5 + 10.5 − 2 = 106 ATP)
Tabla 2. Rendimiento teórico (y real, entre paréntesis) de la oxidación completa del ácido palmítico.
1. El Propionil-CoA se carboxila mediante la Propionil-CoA Carboxilasa a D-Metilmalonil-CoA. Este enzima contiene como cofactor Biotina y la reacción requiere 1 ATP. 2. A continuación, la Metilmalonil-CoA Epimerasa (o Racemasa) transforma la D-Metilmalonil-CoA en su estereoisómero L-Metilmalonil-CoA. 3. El L-Metilmalonil-CoA se reestructura para formar SuccinilCoA, intermedio del c. Krebs. Esta reacción está catalizada por la Metilmalonil-CoA Mutasa y requiere Coenzima B12 (FIR 2016, 71).
Recuerda... Requiere B12 (Cobalamina): - Metilmalonil-CoA mutasa (β-Oxidación AG y degradación Aa ramificados) - Homocisteína-metiltransferasa = metionina sintasa (síntesis Metionina)
Patologías por deficiencias en la oxidación de AG La alteración genética más frecuente es el déficit de Acil-CoA DH de cadena media (MCAD), y producen acumulación de grasa, hipoglucemias, trastornos gastrointestinales, etc. Detectada precozmente puede mejorarse el pronóstico llevando una dieta específica. Otra enfermedad relacionada más grave pero menos frecuente, es el déficit de la β-Hidroxiacil-CoA DH de cadena larga. Regulación de la β-Oxidación Figura 6. β-Oxidación de AG de cadena impar.
Recuerda... El Propionil-CoA es precursor de la GNG, ya que se convierte en un intermedio del c. Krebs. Sin embargo, el Acetil-CoA no tiene producción neta de intermedios del c. Krebs y, por lo tanto, no es precursor de la GNG.
En el hígado, el Acil graso-CoA formado en el citosol puede seguir dos rutas: - β-Oxidación en la mitocondria. - Biosíntesis de TG y Fosfolípidos en el citosol. Como hemos comentado, la lanzadera de carnitina es el paso limitante de la oxidación de AG, y la ruta escogida dependerá del funcionamiento de este transporte. El Malonil-CoA (inter-
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medio de la síntesis de AG) inhibe la CAT-1 (no entran AG en la mitocondria, inhibe β-Oxidación) (FIR 2014, 128) y, por lo tanto, el Acil graso-CoA se destina a la biosíntesis de TG y fosfolípidos. Cuando hay glucosa en exceso (se produce liberación de insulina), la glucosa se destina a la biosíntesis de AG (lipogénesis) y los niveles de Malonil-CoA aumentan. Por eso, siempre que el hígado reciba abundante glucosa, la oxidación de AG estará inhibida. Sin embargo, el glucagón, inhibe la Acetil-CoA carboxilasa , disminuyendo la formación de Malonil-CoA (ver lipogénesis) y, por lo tanto, favorece la beta-oxidación.
- Desórdenes en la biogénesis peroxisomal: Son un conjunto de enfermedades causadas por las deficiencias funcionales o enzimáticas de los peroxisomas, que conllevan la acumulación de ciertos AG. (Ver tabla 3) ω-Oxidación Es una ruta minoritaria que tiene lugar en el réticulo endoplasmático del hígado y el riñón. Consiste en la oxidación del carbono terminal ω (en el extremo opuesto del grupo carboxílico del AG) para generar un nuevo grupo carboxílico. La β-Oxidación tendrá lugar en ambos extremos.
9.2. Biosíntesis Lípidos Figura 7. Esquema resumen de la regulación de la beta-oxidación.
Otras Rutas de Oxidación de AG Rutas peroxisomales - β-Oxidación Peroxisomal: Los peroxisomas son organelas rodeadas de membrana, presentes en plantas y animales. En las plantas superiores la β-oxidación de AG tiene lugar en estos orgánulos por completo (FIR 2014,131), mientras que en los animales, sólo los AG de cadena muy larga (>20C) y los AG ramificados se oxidan parcialmente (18C) en los peroxisomas antes de entrar a la mitocondria para oxidarse por completo. La diferencia principal de la ruta peroxisomal con mitocondrial es que, en el primer paso, en vez de formarse FADH2 como en la mitocondria se forma H2O2 (tóxico) que es eliminado inmediatamente por la catalasa (no produce ATP). - α-Oxidación Peroxisomal: Algunos AG ramificados contienen grupos metilo (-CH3) sobre el carbono β (carbono sobre el que se produce la β-Oxidación) de manera que para degradarse necesitan una ruta adicional, la α-Oxidación. Consiste en la descarboxilación del grupo metilo del carbono β (desprende CO2) y luego continúa como la β-Oxidación. Principalmente usa esta vía el Ác. Fitánico.
Además de ser la forma principal de energía almacenada, los lípidos son los componentes principales de las membranas celulares. También existe gran variedad de lípidos especializados con funciones muy diversas (transportadores, mensajeros celulares, pigmentos, hormonas, etc.). Los componentes principales de los lípidos son los Ác. Grasos (AG), por lo que, empezaremos explicando su biosíntesis.
9.2.1. Biosíntesis Ác. Grasos o Lipogénesis Tiene lugar en el citosol de las células de la mayoría de tejidos, pero principalmente en el hígado. Algunos tipos de AG requieren pasos adicionales que transcurren en otros sitios, como la mitocondria o los microsomas del retículo endoplásmico (lo veremos más adelante). Para la biosíntesis de AG se requiere fundamentalmente: - Una molécula Acetil-CoA (2C) iniciador. - Varias moléculas de Malonil-CoA (3C). - Complejo AG sintasa. - Poder reductor NADPH (FIR 2009, 171). Explicado de manera resumida consiste en una secuencia repetitiva de reacciones en la que: - En la primera vuelta, se adiciona un acetilo (2C) proveniente de Malonil-CoA (3C) sobre el acetilo (2C) proveniente del Acetil-CoA iniciador (2C) obteniendo un intermedio de 4C.
SÍNDROME ZELLWEGER
Carencia peroxisomas
Daños hepáticos, renales y cerebrales (pronóstico fatal)
ADRENOLEUCODISTROFIA
Defecto transporte de AG al interior del peroxisoma
Lesiones neuronales Ligada a cromosoma X
SÍNDROME DE REFSUM
Defecto enzimático de la ¡α-Oxidación!
Lesiones neuronales
(FIR 2012, 62; FIR 2006, 144) (FIR 2015, 69; FIR 2010, 187) (FIR 2006, 251)
Tabla 3. Tabla 3. Patologías peroxisomales.
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Metabolismo de lípidos
Acumulación de AG de cadena muy larga
Acumulación Ác. Fitánico
Bioquímica - En las siguientes vueltas, se adicionarán acetilos (2C) (provenientes de Malonil-CoA) sobre el intermedio generado en la vuelta anterior, hasta llegar a una cadena máximo de 16C, es decir, ácido palmítico. - Todas las reacciones de la secuencia están catalizadas por el complejo AG sintasa y en cada vuelta se requieren 2 NADPH.
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AG y, el Oxalacetato formará Malato mediante la Malato DH para poder regresar a la mitocondria. Existen 2 vías para que el Malato entre en la mitocondria:
1. Transporte del Acetil-CoA al citosol. 2. Formación de Malonil-CoA. 3. Complejo AG sintasa y biosíntesis del AG.
- Con su propio transportador. Una vez en la matriz mitocondrial, la malato DH regenerará el Oxalacetato - De forma alternativa, puede convertirse en Piruvato mediante el enzima Málico y a la vez, producir NADPH. El piruvato atraviesa la membrana mitocondrial con su propio transportador y regenera Oxalacetato mediante la Piruvato Carboxilasa (1.º enzima GNG).
1. Transporte de Acetil-CoA al citosol
(Ver figura 8)
Dividiremos el contenido en 3 partes:
Como hemos visto, el Acetil-CoA se sintetiza principalmente en la mitocondria a partir del piruvato y los esqueletos carbonados de los Aa (el formado en la β-oxidación no contribuye significativamente en la lipogénesis) (FIR 2015, 142). Este Acetil-CoA utiliza la lanzadera de citrato para llegar al citosol, donde se lleva a cabo la biosíntesis de AG. Utilizando el primer paso del ciclo de Krebs, el Acetil-CoA se condensa con Oxalacetato para producir Citrato, mediante la citrato sintasa. El citrato atraviesa la membrana mitocondrial con el transportador de citrato y, una vez en el citosol, la Citrato Liasa regenera el Acetil-CoA (FIR 2004, 146) y el Oxalacetato. El Acetil-CoA ya estará disponible para la síntesis de
2. Formación de Malonil-CoA El Malonil-CoA (3C) sirve de cebador y en cada vuelta aporta 2C a la síntesis de la cadena. El Malonil se forma a partir de la Carboxilación irreversible de Acetil-CoA, mediante la Acetil-CoA Carboxilasa. En esta reacción, la Biotina actúa como transportador de CO2 y se requiere un ATP.
Figura 8. Transporte de acetil-CoA al citosol.
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La Acetil-CoA Carboxilasa es el enzima limitante de la velocidad en la lipogénesis y, por tanto, un punto de regulación importante (ver Regulación).
3. Complejo AG sintasa y biosíntesis del AG (FIR 2002, 152) El Complejo AG sintasa es un polipéptido con 7 actividades enzimáticas (en plantas, microorganismos y levaduras son varias proteínas separadas que actúan en conjunto).
afiracademia.com 1. Condensación: Se une el Acetilo (2C) con el Malonilo (3C), formando un acetoacetilo (4C) que queda unido inicialmente a la fracción ACP. En la reacción se libera un CO2, el mismo que se utilizó para formar el Malonil-CoA. 2, 3, 4. Reducción del grupo carbonilo (C=O): Son 3 reacciones consecutivas y requieren 2 NADPH. (Ver figura 11) 5. Translocación del intermedio recién formado al grupo – SH del residuo de Cys periférico. (Ver figura 12 en la página siguiente) Tras esta primera vuelta obtenemos un butirilo (4C). Este intermedio de 4C empezará un nuevo ciclo que alargará la cadena en 2C más, condensándose con una nueva molécula de Malonilo. La secuencia de reacciones seguirá hasta alcanzar una cadena de un máximo de 16C, es decir, ác. Palmítico. Finalmente, el palmitato es liberado de la ACP por acción de la misma.
Figura 9. AG sintasa.
Los requerimientos del proceso global para generar una cadena de 16C (7ciclos) serán:
Tiene 2 grupos TIOL (-SH) que actúan como 2 sitios de unión: - Un residuo cisteína (Cys) de la parte periférica del polipéptido, donde se une el Acetilo Iniciador proveniente de Acetil-CoA. - Un grupo –SH en la parte central, ACP (Proteína Transportadora de Acilos). Es una fracción portadora de acilos que contiene 4-fosfopanteteína (derivado de vit B5). ACP se carga con el Malonilo proveniente de Malonil-CoA.
Recuerda... También contiene B5: Coenzima A.
Primera vuelta de la síntesis de AG Ya tenemos el complejo AG sintasa cargado con un Acetilo y un Malonilo. A continuación, se producen las siguientes reacciones:
(-)8 Acetil-CoA (1 Iniciador + 1 Malonil-CoA por ciclo). (-)7 ATP (para sintetizar 7 Malonil-CoA). (-)14 NADPH (2 por ciclo).
Elongación de la cadena de AG Para obtener AG de cadenas >16C son necesarios los sistemas de alargamiento de AG o elongasas presentes en los Microsomas del Retículo endoplasmático liso (REL) (mayoritariamente) y en las mitocondrias. Utilizan el ác. Palmítico (16C) como precursor y el coenzima A (en vez de la ACP) transfiere acilos de 2C provenientes de Malonil-CoA. El resto de reacciones son idénticas a las vistas previamente.
Desaturación de AG Consiste en la introducción de dobles enlaces por la Acil grasoCoA desaturasa, una oxidasa de función mixta presente en el Retículo endoplasmático liso (FIR 2004, 147). El proceso requiere el AG que se quiere “insaturar”, NADH o NADPH, citocromo b5 y una flavoproteína (citocromo b5 reductasa). Los mamíferos no pueden introducir dobles enlaces más allá de la posición 9, por lo que el ác. Linoleico (insaturado en C9 y C12) y el ác. Linolénico (insaturado en C9, C12, C15) no pueden ser sintetizados por el hombre y deben ser ingeridos a partir de vegetales en la dieta; son AG esenciales (FIR 2005, 135).
Figura 10. Complejo AG sintasa cargado con un acetilo y un malonilo.
Figura 11. Reacciones de reducción y deshidratación de la síntesis de AG.
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Figura 12. Biosíntesis de AG.
Regulación de la Biosíntesis AG La síntesis y la degradación de AG están reguladas coordinadamente y no tienen lugar simultáneamente. Como ya vimos, el Malonil-CoA (precursor de la síntesis de AG) inhibe la β-Oxidación (FIR 2014, 128), así que durante la síntesis de AG, la degradación está bloqueada. El principal punto de regulación de la Lipogénesis es la AcetilCoA Carboxilasa, que está regulada a nivel alostérico y por modificación covalente. Regulación Alostérica de la Acetil-CoA Carboxilasa El citrato (precursor de Acetil-CoA) activa la Acetil-CoA Carboxilasa y, por lo tanto, la lipogénesis.
El palmitoil-CoA (producto de la síntesis de AG) inhibe la Acetil-CoA Carboxilasa, así que, inhibe la lipogénesis. (Ver figura 13 en la página siguiente) Regulación por modificación covalente de la Acetil-CoA Carboxilasa El Glucagón y la Adrenalina (liberados en ayuno, por bajos niveles de Glucosa) desencadenan la fosforilación del enzima (vía PKA), inactivándolo → Inhiben la síntesis de AG (FIR 2016, 137). La Insulina (liberada en respuesta a altos niveles de Glucosa) desencadena la defosforilación del enzima, activándolo → Activa la síntesis de AG.
Recuerda... El citrato INHIBE la PFK-1 (inhibe glucólisis).
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afiracademia.com Recuerda... Es igual que la activación de AG en la β-Oxidación y requiere 2 ATP. La síntesis del Ác. Fosfatídico tiene lugar con la adición de dos AG activados sobre los grupos hidroxilo (-OH) de la posición C1 y C2 del glicerol 3-P.
Figura 13. Regulación de la acetil-CoA carboxilasa.
9.2.2. Biosíntesis Triacilglicéridos y Fosfolípidos de membrana Los AG sintetizados o ingeridos tienen principalmente 2 destinos: - Formar TG y ser almacenados. - Formar Fosfolípidos, componentes de las membranas celulares. Son de especial interés los Glicerofosfolípidos y los esfingolípidos. La síntesis de TG y Glicerofosfolípidos tienen como precursor común el Ácido Fosfatídico o diacilglicerol 3-fosfato (FIR 2016, 135).
Figura 14. Esquema de un TG (arriba) y un Glicerofosfolípido (abajo).
Síntesis de Ác. Fosfatídico
Figura 15. Síntesis de ácido fosfatídico.
Se forma a partir de dos precursores: - Un “armazón” de Glicerol 3-Fosfato que se forma por dos vías: • A partir de la Dihidroxiacetona Fosfato (Intermedio de la Glucólisis). • A partir de Glicerol, por la acción de la glicerol quinasa (Hígado y riñón).
Síntesis de TG
- Dos ACIL Graso-CoA (AG activado): formados a partir de la Acil-CoA Sintetasa.
Regulación:
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Para la síntesis de TG, el ácido Fosfatídico es hidrolizado por una fosfatasa a 1,2-Diacilglicerol, sobre el que se adicionará un tercer Acil graso-CoA (ver figura 16 en la página siguiente).
El exceso de combustibles (Glúcidos, grasa y proteínas) en la dieta es almacenado en forma de TG.
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Figura 16. Síntesis de triglicéridos.
La síntesis de TG está regulada recíprocamente con la degradación (Lipólisis), es decir, lo que activa una vía inhibe la otra. La Insulina promueve la formación de TG a partir de Glúcidos (lipogénesis).
Siguen este esquema: • Cardiolipina: CDP-DAG + Fosfatidilglicerol. • Fosfatidilinositol: CDP-DAG + Inositol.
Recuerda... El fosfatidilinositol participa en la transducción de señales (ver Tema 2.4.).
Figura 17. Regulación de la insulina sobre la síntesis de TG.
En la diabetes mellitus (déficit de insulina), el Acetil-CoA se desviará a la síntesis de cuerpos cetónicos.
Síntesis de Fosfolípidos de membrana Tiene lugar en el REL y la membrana mitocondrial interna. Como ya hemos dicho, destacamos los Glicerofosfolípidos y los Esfingolípidos. Partiendo de un patrón de síntesis similar, se obtienen numerosos productos finales. En primer lugar se requiere un “armazón” de glicerol o esfingosina, al que se le unirán 2 ó 1 AG activado, respectivamente, y un grupo cabeza hidrofílico.
- Activando el grupo cabeza con CTP. Son ejemplos de esta estrategia: • Fosfatidiletanolamina: CDP-Etanolamina + Diacilglicerol. • Fosfatidilcolina. Existen dos manera de sintetizarla: - CDP-Colina + Diacilglicerol. - En el hígado, puede sintetizarse por metilación de la Fosfatidiletanolamina utilizando la S-adenosilmetionina (SAM):
• Fosfatidilserina. Proviene de la Fosfatidiletanolamina o la Fosfatidilcolina.
-
La degradación de los Glicerofosfolípidos se ve en el Tema 2.3. Plasmalógenos
Figura 18. Esquema Glicerofosfolípido.
Glicerofosfolípidos Partiendo del ácido Fosfatídico existen 2 estrategias para unir el grupo cabeza: - Activando el ácido Fosfatídico mediante condensación con citidina trifosfato (CTP) (es un nucleótido) que da lugar a CDP-Diacilglicerol (CDP-DAG).
La síntesis de los plasmalógenos tiene lugar en los Peroxisomas y requiere NADPH. Se sintetizan mediante la unión de un alcohol graso y un grupo cabeza. Las insaturaciones de los plasmalógenos son introducidas por una oxidasa de acción mixta similar a la introduce dobles enlaces en los AG.
Recuerda... La ausencia de peroxisomas causa el síndrome de Zellweger: no habrá síntesis de plasmalógenos.
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Esfingolípidos
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Como se ha comentado, su estructura es fundamentalmente un armazón de esfingosina, con un AG activado y un grupo cabeza hidrofílico. La esfingosina se sintetiza a través de la esfinganina.
• Esfingofosfolípidos como la esfingomielina: La Fosfatidilcolina actúa como donador de fosfocolina para formar esfingomielina. (Ver figura 20)
Figura 19. Esquema de glucoesfingolípidos y enfingofosfolípidos
- Patologías de los Esfingolípidos: Los Esfingolípidos se degradan por acción de enzimas en los lisosomas. El déficit de uno o varios enzimas conlleva la acumulación de estos lípidos en los lisosomas provocando un conjunto de enfermedades graves, las esfingolipidosis. Son enfermedades de depósito (tesaurosmosis) lisosomal (FIR 2014, 61) y de carácter autosómico recesivo (HAR). Las más destacadas se recogen en la figura 21 y en la tabla 4 (ver en la página siguiente).
Su biosíntesis se puede explicar en 4 pasos: 1. Formación de Esfinganina (18C): Se condensa la Serina con el Palmitoil-CoA (AG activado) con posterior reducción mediante NADPH.
Algunos de estos enzimas utilizan como cofactores una familia de triterpenoides llamadas saponinas y su déficit también está asociado a ciertas esfingolipidosis (FIR 2012, 61).
2. Unión de un segundo AG activado para formar N-Acilesfinganina. 3. Desaturación de la esfinganina mediante una oxidasa de función mixta (como en plasmalógenos y AG) con la formación de N-Acilesfingosina (Ceramida). 4. Unión del grupo cabeza, en función del cual obtendremos: • Glucoesfingolípidos: El grupo cabeza es uno o varios azúcares que se introducen en su forma activada, UDP-Glucosa o UDP-Galactosa. Se unen por enlace glucosídico. - Cerebrósidos: añadiendo Glucosa o Galactosa (1 sólo monosacárido) - Globósidos: añadiendo más de 1 monosacárido. - Sulfátidos: añadiendo un sulfato a un galactocerebrósido. - Gangliósidos: añadiendo más de un monosacárido y que, al menos uno, sea ácido siálico.
Figura 20. Esquema general de síntesis de esfingolípidos.
Figura 21. Degradación de esfingolípidos y esfingolipidosis.
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Regla mnemotécnica