OXIDACION DE LOS ACIDOS GRASOS

Introducción

La utilización de los lípidos requiere que estos sean primero absorbidos en el intestino. Debido a que estas moléculas son aceites, estas son esencialmente insolubles en el medioambiente acuoso del intestino. La solubilización (emulsificación) de los lípidos de la dieta se logra por acción de las sales biliares que se sintetizan en el hígado y se secretan desde la vesícula biliar.

Las grasas emulsificadas pueden entonces ser degradadas por las lipasas pancreáticas (lipasa y fosfolipasa A2). Estas enzimas secretadas por el páncreas al intestino, generan ácidos grasos y una mezcla de mono y di-glicéridos a partir de los triglicéridos (TG) de la dieta. La lipasa pancreática degrada los TG en forma secuencial en las posiciones 1 y 3 para generar 1,2-diacilglicerol y 2-acilglicerol. Los fosfolípidos se degradan en la posición 2 por la fosfolipasa A2 del páncreas liberando un acido graso libre y el lisofosfolípido.

Luego de la absorción de los productos de la lipasa pancreática por las células de la mucosa intestinal, los TG se vuelven a re-sintetizar. Entonces los TG son solubilizados en complejos de lipoproteínas (complejos de lípidos y proteínas) llamados quilomicrones. Un quilomicrón contiene una gota de grasa rodeada por lípidos más polares y finalmente por una capa de proteínas. Los TG sintetizados en el hígado son empaquetados en VLDL y son liberados directamente en la sangre. Los quilomicrones del intestino son entonces secretados en la sangre por medio del sistema linfático para su entrega en varios tejidos para su almacenamiento o producción de energía a través de su oxidación.

Los TG del VLDL y de los quilomicrones son hidrolizados a ácidos grasos libres y glicerol en los capilares del tejido adiposo y músculo esquelético por acción de la lipoproteína lipasa. Entonces los ácidos grasos libres son absorbidos por las células y el glicerol regresa por la sangre al hígado (riñones). Entonces el glicerol es convertido en el intermediario glicolítico (DHAP).

La clasificación de los lípidos de la sangre se hace en base a la densidad de las distintas lipoproteínas. Como el lípido es menos denso que la proteína, mientras más baja es la densidad de la lipoproteína existe menos proteína.

Movilización de las Reservas de Grasa

Las fuentes más importantes de ácidos grasos para la oxidación son de la dieta y de los reservorios celulares. Los ácidos grasos de la dieta son entregados a las células por transporte sanguíneo. Los ácidos grasos son almacenados en forma de TG principalmente en los adipositos del tejido adiposo. En respuesta a demandas de energía, los ácidos grasos de los TG almacenados pueden ser movilizados para el uso de tejidos periféricos. La liberación de energía metabólica, en forma de ácidos grasos, se controla por una serie compleja de cascadas interrelacionadas que resultan en la activación de la lipasa sensible a hormona.

Los estímulos para activar esta cascada, en los adipositos, puede ser el glucagón, epinefrina o β-corticotropina. Estas hormonas se unen a receptores en la superficie de las células que están acoplados a la activación de la adenil-ciclasa luego de la unión con su ligando. El incremento de cAMP resultantes lleva a la activación de la PKA, que a su vez fosforila y activa a la lipasa sensible a hormona. Esta enzima hidroliza los ácidos grasos de los carbonos 1 y 3 de los TG. Los diacilgliceroles resultantes son sustratos para la lipasa sensible a hormona o para la enzima no inducible diacilglicerol lipasa. Finalmente los monoacilgliceroles son sustrato para la monoacilglicerol lipasa. La acción neta de la acción de estas enzimas son tres moles de ácidos grasos libres y un mol de glicerol. Los ácidos grasos se difunden desde las células grasas, se combinan con la albúmina en la sangre, y entonces se transportan a otros tejidos, en donde se difunden pasivamente a dentro de las células.

Modelo de la activación de la lipasa sensible a hormona por la epinefrina. La epinefrina se une a su receptor y lleva a la activación de la adenil-ciclasa. El incremento del cAMP resultante activa a la PKA que entonces es fosforilada y activa a la lipasa sensible a hormona. La lipasa sensible a hormona hidroliza a los ácidos grasos de los TG y digliceridos. El acido graso final es liberado de los monogliceridos por acción de la monoglicerol lipasa, una enzima activa en ausencia de la estimulación hormonal.

De forma contraria a la activación hormonal de la adenil-ciclasa y (subsecuentemente) de la lipasa sensible a hormona en los adipositos, la movilización de grasa del tejido adiposo se inhibe por varios estímulos. La inhibición mas significativa que se hace sobre la adenil-ciclasa esta a cargo de la insulina. Cuando un individuo esta en un estado de buena alimentación, la insulina liberada por el páncreas previene la movilización inapropiada de las reservas de grasa. Por el contrario, cualquier exceso de grasa y de carbohidratos es incorporada a la reserva de TG en el tejido adiposo.

Reacciones de Oxidación

Los ácidos grasos deben primero ser activados en el citoplasma antes de ser oxidados en la mitocondria. La activación es catalizada por la acil.CoA ligasa grasa (también llamada acil-CoA sintasa o tiocinasa). El resultado neto de este proceso de activación es el consumo de 2 moles de ATP.

Ácido Graso + ATP + CoA ——> Acil-CoA + PPi + AMP

La oxidación de los ácidos grasos ocurre en la mitocondria. El transporte de la acil-CoA grasa a la mitocondria se logra vía un intermediario de acil-carnitina, el que es generado por acción de la carnitina aciltransferasa I, una enzima que reside en la membrana mitocondrial externa. La molécula de acil-carnitina es entonces transportada a la mitocondria en donde la carnitina aciltransferasa II cataliza la regeneración de la molécula de acil-CoA grasa.

Transporte de ácidos grasos desde el citoplasma al espacio mitocondrial interno para su oxidación. Luego de su activación a CoA-grasa, la CoA es intercambiada por la carnitina por la carnitina palmitoiltransferasa I. La carnitina-grasa es entonces transportada al interior de la mitocondria en donde un intercambio reverso sucede por acción de la carnitina aciltransferasa II. Una vez en el interior de la mitocondrial la CoA-grasa es sustrato de la maquinaria de β-oxidación.

El proceso de oxidación de los ácidos grasos se denomina β-oxidación porque ocurre a través de la remoción secuencial de dos unidades de carbono por oxidación en la posición del carbono-β de la molécula de acil-CoA grasa.

Cada vuelta de β-oxidación produce un mol de NADH, un mol de FADH2 y un mol de acetil-CoA. Entonces el mol de acetil-CoA que es el producto de cada vuelta de β-oxidación entra en el ciclo del acido tricarboxílico (TCA), en donde es oxidado a CO₂ con la generación concomitante de tres moles de NADH, un mol de FADH₂ y un mol de ATP. El NADH y el FADH₂ generados durante la oxidación de la grasa y la oxidación de la acetil-CoA en el ciclo del TCA entonces pueden entrar en la vía respiratoria para la producción de ATP.

Vía de la β-oxidación

La oxidación de los ácidos grasos produce más energía por átomo de carbono que la oxidación de los carbohidratos. El resultado neto de la oxidación de un mol de acido oleico (un acido graso de 18 carbonos) será 146 moles de ATP (se utilizan 2 moles de ATP durante la activación de los ácidos grasos), comparados con 114 moles de un numero equivalentes de átomos de carbono de la glucosa.

Vías de Oxidación Alternativa

La mayoría de lípidos naturales contienen un numero par de átomos de carbono. Una proporción pequeña de lípidos derivados de plantas contienen un número impar de átomos de carbono y luego de completar la β-oxidación estos ácidos grasos producen unidades de actil.CoA mas un mol único de propionil-CoA. El propionil-CoA es convertido, en una vía dependiente de ATP, a succinil-CoA. La succinil-CoA puede entonces ingresar al ciclo del TCA para su posterior oxidación.

Conversión de Propionil-CoA Succinil-CoA

La oxidación de ácidos grasos insaturados es esencialmente el mismo proceso que para los ácidos grasos saturados, excepto cuando se encuentra un doble enlace. En tal caso, el enlace es isomerizado por una isomerasa especifica enoil- CoA y la oxidación continua. En el caso de linoleato, la presencia de la desaturación Δ¹² resulta en la formación de un dienoil-CoA durante la oxidación. Esta molécula es el sustrato para una enzima de oxidación adicional, la 2,4-dienoil-CoA reductasa que requiere NADPH.

El ácido fitánico esta presente en los tejidos de rumiantes y en productos lácteos y es por tanto un componente importante de los ácidos grasos de dieta. Debido a que el ácido fitánico es metilado, no puede ser utilizado como un sustrato para la primera enzima de la vía de la β-oxidación (acil-CoA deshidrogenasa). Una enzima adicional de la mitocondria la α-hidroxilasa, añade un grupo hidroxilo al carbono-α del acido fitánico que entonces sirve como sustrato para el resto de enzimas oxidativas normales. A este proceso se lo llama β-oxidación.

Phytanic oxidation pathway

Regulación del Metabolismo de los Ácidos Grasos

Para entender la exquisitez de como la síntesis y degradación de las grasas se regula, uno debe considerar los requerimientos energéticos de el organismo como un todo. La sangre transporta TG en forma de quilomicrones y VLDL, ácidos grasos unidos a la albúmina, aminoácidos, lactato, cuerpos cetónicos y glucosa. El páncreas es el órganos más importante para sentir los estados energéticos y dietéticos del organismo mediante el monitoreo de las concentraciones de glucosa en la sangre. Las concentraciones bajas de glucosa estimulan la secreción de glucagón, mientras que, la glucosa alta en la sangre estimula la secreción de insulina.

El metabolismo de la grasa se regula por dos mecanismos distintos. Uno es una regulación a corto plazo, que puede ser por eventos como la disponibilidad de sustrato, efectores alostéricos y/o modificaciones de la enzima. El otro mecanismo, regulación a largo plazo se logra por alteraciones en la proporción de síntesis de la enzima y la duración en la célula.

La ACC es la enzima limitante (comprometida) en la síntesis de ácidos grasos. Esta enzima es activada por el citrato e inhibida por la palmitoil-CoA y por otros ácidos grasos de cadena larga. La actividad de la ACC también se afecta por fosforilación. Por ejemplo, el incremento de la actividad de la PKA estimulada por el glucagón resulta en la fosforilación de ciertos residuos de serina en la ACC lo que lleva a una disminución de la actividad de la enzima. Contrariamente, la insulina conduce a una fosforilación de la ACC independiente de la PKA en sitios distintos a los estimulados por el glucagón, lo que determina un incremento en la actividad de la enzima. Estas dos reacciones son ejemplos de regulación a corto plazo.

La insulina, un reflejo de un estado de buena alimentación, estimula la síntesis de ACC y FAS, mientras que el ayuno lleva a una disminución en la síntesis de estas enzimas. Los niveles de lipoproteína lipasa del tejido adiposo también se incrementan por acción de la insulina y disminuyen durante el ayuno. Sin embargo, los efectos de la insulina y del ayuno sobre la lipoproteína lipasa en el corazón son lo contrario de sus efectos en el tejido adiposo. Esta sensibilidad permite que el corazón absorba cualquier ácido graso disponible en la sangre para oxidarlo con el propósito de producir energética. El ayuno también lleva al aumento en los niveles de enzimas cardiacas para la oxidación de los ácidos grasos, y a la disminución de FAS y de enzimas relacionadas con la síntesis.

El tejido adiposo contiene la lipasa sensible a hormona, que es activada por la fosforilación dependiente de PKA; esta activación aumenta la liberación de ácidos grasos a la sangre. Esto a su vez lleva a la oxidación creciente de ácidos grasos en otros tejidos tales como músculo y hígado. En el hígado, el beneficio neto (debido a los niveles crecientes del acetil.CoA) es la producción de cuerpos de cetónicos (véase abajo). Esto ocurriría bajo condiciones en las cuales el almacenamiento de carbohidratos y los precursores gluconeogénicos disponibles en el hígado no son suficientes para permitir la producción creciente de glucosa. Los niveles crecientes de ácidos grasos que están disponibles en respuesta al glucagón o a la epinefrina son oxidados totalmente, porque la PKA también fosforila a la ACC; de tal modo que se inhibe la síntesis de ácidos grasos.

La insulina tiene el efecto opuesto al glucagón y a la epinefrina: aumenta la síntesis de triglicéridos (y del glicógeno). Uno de los muchos efectos de la insulina es bajar los niveles de cAMP, lo que lleva a la defosforilización creciente a través de la actividad creciente de fosfatasas de proteína tales como la PP-1. Con respecto a metabolismo del ácido graso, esto produce que la lipasa sensible hormona este desfosforilatada e inactiva. La insulina también estimula ciertos eventos de fosforilación. Esto ocurre con la activación de varias cinasas independientes de cAMP, una de las cuales fosforila y de tal modo estimula la actividad de la ACC.

El metabolismo de los lípidos también puede ser regulado por la inhibición mediada por la malonil.CoA de la carnitina aciltransferasa I. tal regulación sirve para prevenir que los ácidos grasos sintetizados de novo entren a la mitocondria para ser oxidados.

Significado Clínico de los Ácidos Grasos

La mayoría de problemas clínicos relacionados con el metabolismo de los ácidos grasos están asociados con procesos de oxidación. Estos desordenes entran dentro de cuatro grupos principales:

1. Deficiencias en la carnitina: Las deficiencias en carnitina llevan a una inhabilidad de transportar ácidos grasos a las mitocondrias para su oxidación. Esto puede ocurrir en los recién nacidos y particularmente en niños prematuros. Las deficiencias de carnitina también se encuentran en pacientes que experimentan hemodiálisis o que exhiben aciduria orgánica. Las deficiencias de la carnitina pueden manifestar sintomatología sistémica o se pueden limitar solamente a los músculos. Los síntomas pueden variar de calambres ocasionales del músculo a debilidad severa o aún a la muerte. El tratamiento es la administración oral de carnitina.

2. Deficiencia de Carnitina Palmitoiltransferasa I (CPT I): Las deficiencias en esta enzima afectan sobre todo al hígado y llevan a la disminución en la oxidación de ácidos grasos y a cetogénesis. La deficiencia de Carnitina Palmitoiltransferasa II (CPT II) resulta en dolor muscular recurrente y fatiga y mioglobinuria luego del ejercicio vigoroso. Los aciltransferasas de carnitina se pueden también inhibir por las drogas sulfonilurea tales como tolbutamida y gliburide.

3. Deficiencias en Acil-CoA deshidrogenasas: Un grupo de enfermedades heredadas que deterioran la β-oxidación resultan de deficiencias en las acil-CoA deshidrogenasas. Las enzimas afectadas pueden pertenecer a una de cuatro categorías:

acil-CoA deshidrogenasas de cadena muy larga (VLCAD)

acil-CoA deshidrogenasas de cadena larga (LCAD)

acil-CoA deshidrogenasas de cadena mediana (MCAD)

acil-CoA deshidrogenasas de cadena corta (SCAD)

La deficiencia de MCAD es la forma más común de deficiencia de las acil-CoA deshidrogenasas. En los primeros años de vida esta deficiencia llegará a ser evidente después de un período de ayuno prolongado. Los síntomas incluyen vomito, letargo y con frecuentemente coma. La excreción excesiva urinaria de ácidos dicarboxílicos de cadena media así como de sus ésteres de glicina y carnitina es diagnóstico de esta condición. En el caso de esta deficiencia enzimática, tomar cuidado para evitar el ayuno prolongado es suficiente para prevenir problemas clínicos.

4. Enfermedad de Refsum: La enfermedad de Refsum es un desorden raro heredado en el cual los pacientes carecen de la enzima α-oxidasa mitocondrial. Por consiguiente, los pacientes acumulan granes cantidades de ácido fitánico en sus tejidos y suero. Esto lleva a síntomas severos, incluyendo ataxia cerebelar, retinitis pigmentosa, sordera por afección del nervio y la neuropatía periférica. Como se esperaría, la restricción de los productos lácteos y la carne de rumiantes de la dieta pueden mejorar los síntomas de esta enfermedad.

Cetogénesis

Durante altas tasas de oxidación de ácido grasos, sobre todo en el hígado, se generan granes cantidades de acetil.CoA. Éstos exceden la capacidad del ciclo del TCA, y un resultado de esto es la síntesis de los cuerpos cetónicos, o cetogénesis. Los cuerpos cetónicos son el acetoacetato, β-hidroxibutirato, y la acetona.

La formación de acetoacetil.CoA ocurre por la condensación de dos moles de acetil.CoA por medio de la reacción reversa de la reacción catalizada por la tiolasa en la oxidación de las grasas. La acetoacetil.CoA más una acetil.CoA adicional son convertidos a β-hidroxi-β-metilglutaril.CoA (HMG-CoA) por acción de la HMG-CoA sintasa, una enzima encontrada en granes cantidades solamente en el hígado. La HMG-CoA en las mitocondrias es convertida a acetoacetato por acción de la HMG-CoA liasa. El acetoacetato puede experimentar una descarboxilación espontánea a acetona, o puede ser convierta enzimáticamente a β-hidroxibutirato por acción de la β-hidroxibutirato deshidrogenasa.

Síntesis de Cetonas

Cuando el nivel de glicógeno en el hígado es alto la producción de β-hidroxibutirato aumenta. Cuando la utilización de carbohidratos es baja o deficiente, el nivel de oxaloacetato también será bajo, dando por resultado un flujo reducido durante el ciclo del TCA. Esto a su vez lleva a la liberación creciente de cuerpos cetónicos del hígado para que puedan ser utilizados como combustible por otros tejidos. En los estadios tempranos del ayuno, cuando los últimos remanentes de la grasa se oxidan, el corazón y el músculo esquelético consumirá sobre todo cuerpos cetónicos para preservar la glucosa para uso del cerebro. El acetoacetato y el β-hidroxibutirato, particularmente, también sirven como substratos importantes para la biosíntesis de lípidos cerebrales neonatales.

Los cuerpos cetónicos son utilizados por los tejidos extrahepáticos por medio de la conversión del β-hidroxibutirato a acetoacetato y de acetoacetato a acetoacetil.CoA. El primer paso implica la reacción reversa de la reacción de la β-hidroxibutirato deshidrogenasa, y el segundo implica la acción (se indica abajo) del la acetoacetato:succinil.CoA transferasa, también llamada β-cetoacil-CoA-transferasa.

Utilización de los Cuerpos cetónicos

La ultima enzima está presente en todos los tejidos excepto en el hígado. Importantemente, su ausencia permite que el hígado produzca cuerpos cetónicos pero que no los utilice. Esto asegura que los tejidos extrahepáticos tengan acceso a los cuerpos cetónicos como fuente de energía durante el ayuno y el hambre prolongados.

Regulación de la Cetogénesis

El destino de los productos del metabolismo de los ácidos grasos esta determinado por el estado fisiológico de un individuo. La cetogénesis ocurre sobre todo en el hígado y puede afectarse por varios factores:

1. El control de la liberación de ácidos grasos libres desde el tejido adiposo afecta directamente el nivel de cetogénesis en el hígado. Esto es, por supuesto, regulación a nivel de substrato.

2. Una vez que la grasa ingresa al hígado, tienen dos distintos destinos. Pueden ser activadas a acil.CoAs y ser oxidadas, o ser esterificadas al glicerol en la producción de triacilgliceroles. Si el hígado tiene suficientes fuentes de glicerol-3-fosfato, la mayor parte de las grasas serán usadas en la producción de triacilgliceroles.

3. La generación de acetil.CoA por la oxidación de las grasas puede ser oxidada totalmente en el ciclo del TCA. Por lo tanto, si la demanda de ATP es alta el destino de la acetil.CoA probablemente será su oxidación adicional a CO₂.

4. El nivel de oxidación de la grasa se regula hormonalmente por la fosforilación de la ACC, que puede activarlo (en respuesta al glucagón) o inhibirlo (en el caso de la insulina).

Importancia Clínica de la Cetogénesis

La producción de cuerpos cetónicos ocurre en una proporción relativamente reducida durante la alimentación normal y bajo condiciones fisiológicas normales. Las respuestas fisiológicas normales a la escasez de carbohidratos hacen que el hígado aumente la producción de cuerpos cetónicos a partir de la acetil.CoA generada por la oxidación de los ácidos grasos. Esto permite al corazón y al músculo esquelético utilizar principalmente cuerpos cetónicos como fuente de energía, de tal modo que se preserva la limitada cantidad de glucosa para uso del cerebro.

La alteración más significativa del nivel de cetosis, llevando a manifestaciones clínicas profundas, ocurre en la diabetes mellitus insulino-dependiente no tratada. Este estado patológico, la Cetoacidosis diabética (DKA) resulta de una reducida disponibilidad de glucosa (debido a una disminución significativa de la insulina en la circulación) y de un aumento concomitante en la oxidación de los ácidos grasos (debido a un aumento concomitante de glucagón en la circulación). La producción creciente de acetil.CoA lleva a la producción de cuerpos cetónicos que excede la capacidad de los tejidos periféricos de oxidarlos. Los cuerpos cetónicos son ácidos relativamente fuertes (pKa alrededor de 3.5), y su aumento baja el pH de la sangre. Esta acidificación de la sangre es peligrosa principalmente porque deteriora la capacidad de la hemoglobina de unirse al oxígeno.