El metabolismo de los ácidos grasos consiste en diversos procesos metabólicos que involucran o están estrechamente relacionados con los ácidos grasos , una familia de moléculas clasificadas dentro de la categoría de macronutrientes lipídicos . Estos procesos se pueden dividir principalmente en (1) procesos catabólicos que generan energía y (2) procesos anabólicos en los que sirven como componentes básicos para otros compuestos. [1]
En el catabolismo, los ácidos grasos se metabolizan para producir energía, principalmente en forma de trifosfato de adenosina (ATP). En comparación con otras clases de macronutrientes (carbohidratos y proteínas), los ácidos grasos producen la mayor cantidad de ATP en términos de energía por gramo, cuando se oxidan completamente a CO 2 y agua mediante la oxidación beta y el ciclo del ácido cítrico . [2] Los ácidos grasos (principalmente en forma de triglicéridos ) son, por lo tanto, la principal forma de almacenamiento de combustible en la mayoría de los animales y, en menor medida, en las plantas.
En el anabolismo, los ácidos grasos intactos son importantes precursores de triglicéridos, fosfolípidos, segundos mensajeros, hormonas y cuerpos cetónicos . Por ejemplo, los fosfolípidos forman las bicapas de fosfolípidos a partir de las cuales se construyen todas las membranas de la célula a partir de ácidos grasos. Los fosfolípidos comprenden la membrana plasmática y otras membranas que encierran todos los orgánulos dentro de las células, como el núcleo , las mitocondrias , el retículo endoplásmico y el aparato de Golgi . En otro tipo de anabolismo, los ácidos grasos se modifican para formar otros compuestos como segundos mensajeros y hormonas locales . Las prostaglandinas producidas a partir del ácido araquidónico almacenado en la membrana celular son probablemente las más conocidas de estas hormonas locales.
Los ácidos grasos se almacenan como triglicéridos en los depósitos de grasa del tejido adiposo . Entre comidas se liberan de la siguiente manera:
En el hígado, el oxalacetato puede desviarse total o parcialmente hacia la vía gluconeogénica durante el ayuno, la inanición, una dieta baja en carbohidratos, el ejercicio extenuante prolongado y en la diabetes mellitus tipo 1 no controlada . En estas circunstancias, el oxaloacetato se hidrogena a malato , que luego se elimina de las mitocondrias de las células del hígado para convertirse en glucosa en el citoplasma de las células del hígado, desde donde se libera a la sangre. [10] En el hígado, por lo tanto, el oxaloacetato no está disponible para la condensación con acetil-CoA cuando una gluconeogénesis significativa ha sido estimulada por concentraciones bajas (o ausentes) de insulina y altas de glucagón en la sangre. En estas condiciones, el acetil-CoA se desvía hacia la formación de acetoacetato y beta-hidroxibutirato . [10] El acetoacetato, el beta-hidroxibutirato y su producto de descomposición espontánea, la acetona , se conocen con frecuencia, pero de manera confusa, como cuerpos cetónicos (ya que no son "cuerpos" en absoluto, sino sustancias químicas solubles en agua). Las cetonas son liberadas por el hígado a la sangre. Todas las células con mitocondrias pueden absorber cetonas de la sangre y reconvertirlas en acetil-CoA, que luego puede usarse como combustible en sus ciclos del ácido cítrico, ya que ningún otro tejido puede desviar su oxalacetato hacia la vía gluconeogénica de la manera que esto puede hacerlo. ocurren en el hígado. A diferencia de los ácidos grasos libres, las cetonas pueden cruzar la barrera hematoencefálica y, por tanto, están disponibles como combustible para las células del sistema nervioso central , actuando como sustituto de la glucosa, con la que normalmente sobreviven estas células. [10] La aparición de niveles elevados de cetonas en la sangre durante la inanición, una dieta baja en carbohidratos, ejercicio intenso prolongado o diabetes mellitus tipo 1 no controlada se conoce como cetosis y, en su forma extrema, en el tipo fuera de control. 1 diabetes mellitus, como cetoacidosis .
Los ácidos grasos, almacenados como triglicéridos en el organismo, son una fuente concentrada de energía porque contienen poco oxígeno y son anhidros . El rendimiento energético de un gramo de ácidos grasos es de aproximadamente 9 kcal (37 kJ), mucho mayor que las 4 kcal (17 kJ) de los carbohidratos. Dado que la porción hidrocarbonada de los ácidos grasos es hidrófoba , estas moléculas pueden almacenarse en un ambiente relativamente anhidro (libre de agua). Los carbohidratos, por el contrario, están más hidratados. Por ejemplo, 1 g de glucógeno se une a aproximadamente 2 g de agua , lo que se traduce en 1,33 kcal/g (4 kcal/3 g). Esto significa que los ácidos grasos pueden contener más de seis veces la cantidad de energía por unidad de masa almacenada. Dicho de otra manera, si el cuerpo humano dependiera de los carbohidratos para almacenar energía, entonces una persona necesitaría transportar 31 kg (67,5 lb ) de glucógeno hidratado para tener la energía equivalente a 4,6 kg (10 lb) de grasa . [10]
Los animales que hibernan son un buen ejemplo de utilización de las reservas de grasa como combustible. Por ejemplo, los osos hibernan durante unos 7 meses y durante todo este período la energía se obtiene de la degradación de las reservas de grasa. De manera similar, las aves migratorias acumulan grandes reservas de grasa antes de emprender sus viajes intercontinentales. [17]
Las reservas de grasa de los humanos adultos jóvenes promedian entre 10 y 20 kg, pero varían mucho según el género y la disposición individual. [18] Por el contrario, el cuerpo humano almacena sólo unos 400 g de glucógeno , de los cuales 300 g están encerrados dentro de los músculos esqueléticos y no están disponibles para el cuerpo en su conjunto. Los aproximadamente 100 gramos de glucógeno almacenados en el hígado se agotan al día siguiente de la inanición. [10] A partir de entonces, la glucosa que el hígado libera en la sangre para uso general de los tejidos del cuerpo debe sintetizarse a partir de los aminoácidos glucogénicos y algunos otros sustratos gluconeogénicos , que no incluyen los ácidos grasos. [1] No obstante, la lipólisis libera glicerol que puede entrar en la vía de la gluconeogénesis.
Los ácidos grasos se descomponen en acetil-CoA mediante beta oxidación dentro de las mitocondrias, mientras que los ácidos grasos se sintetizan a partir de acetil-CoA fuera de las mitocondrias, en el citosol. Las dos vías son distintas, no sólo en el lugar donde ocurren, sino también en las reacciones que ocurren y los sustratos que se utilizan. Las dos vías se inhiben mutuamente, impidiendo que la acetil-CoA producida por la beta-oxidación entre en la vía sintética a través de la reacción de la acetil-CoA carboxilasa . [1] Tampoco se puede convertir en piruvato ya que la reacción del complejo piruvato deshidrogenasa es irreversible. [10] En cambio, el acetil-CoA producido por la beta-oxidación de ácidos grasos se condensa con oxaloacetato , para entrar en el ciclo del ácido cítrico . Durante cada vuelta del ciclo, dos átomos de carbono abandonan el ciclo como CO 2 en las reacciones de descarboxilación catalizadas por la isocitrato deshidrogenasa y la alfa-cetoglutarato deshidrogenasa . Así, cada vuelta del ciclo del ácido cítrico oxida una unidad de acetil-CoA mientras se regenera la molécula de oxaloacetato con la que el acetil-CoA se había combinado originalmente para formar ácido cítrico. Las reacciones de descarboxilación ocurren antes de que se forme malato en el ciclo. [1] Sólo las plantas poseen las enzimas para convertir el acetil-CoA en oxaloacetato a partir del cual se puede formar malato para finalmente convertirse en glucosa. [1]
Sin embargo, el acetil-CoA se puede convertir en acetoacetato, que puede descarboxilarse en acetona (ya sea espontáneamente o catalizado por la acetoacetato descarboxilasa ). Luego puede metabolizarse aún más a isopropanol, que se excreta en el aliento/orina, o por CYP2E1 en hidroxiacetona (acetol). El acetol se puede convertir en propilenglicol . Esto se convierte en piruvato (mediante dos enzimas alternativas), o propionaldehído , o en L -lactaldehído y luego en L -lactato (el isómero común del lactato). [19] [20] [21] Otra vía convierte el acetol en metilglioxal , luego en piruvato , o en D -lactaldehído (a través de SD -lactoil-glutatión o de otro modo) y luego en D -lactato . [20] [22] [23] El metabolismo del D-lactato (a glucosa) es lento o está alterado en los seres humanos, por lo que la mayor parte del D-lactato se excreta en la orina; por lo tanto, el D -lactato derivado de la acetona puede contribuir significativamente a la acidosis metabólica asociada con la cetosis o la intoxicación por isopropanol. [20] El L -Lactato puede completar la conversión neta de ácidos grasos en glucosa. El primer experimento que mostró la conversión de acetona en glucosa se llevó a cabo en 1951. Este y otros experimentos utilizaron marcaje isotópico de carbono . [21] Hasta el 11% de la glucosa puede derivarse de la acetona durante la inanición en humanos. [21]
El glicerol liberado en la sangre durante la lipólisis de los triglicéridos en el tejido adiposo sólo puede ser absorbido por el hígado. Aquí se convierte en glicerol 3-fosfato mediante la acción de la glicerol quinasa que hidroliza una molécula de ATP por molécula de glicerol fosforilada. Luego, el glicerol 3-fosfato se oxida a dihidroxiacetona fosfato , que, a su vez, se convierte en gliceraldehído 3-fosfato mediante la enzima triosa fosfato isomerasa . A partir de aquí, los tres átomos de carbono del glicerol original pueden oxidarse mediante glucólisis o convertirse en glucosa mediante gluconeogénesis . [10]
Los ácidos grasos son una parte integral de los fosfolípidos que constituyen la mayor parte de las membranas plasmáticas , o membranas celulares, de las células. Estos fosfolípidos pueden escindirse en diacilglicerol (DAG) y trifosfato de inositol (IP 3 ) mediante la hidrólisis del fosfolípido, fosfatidilinositol 4,5-bifosfato (PIP 2 ), por la enzima fosfolipasa C (PLC) unida a la membrana celular. [24]
Un producto del metabolismo de los ácidos grasos son las prostaglandinas , compuestos que tienen diversos efectos similares a los de las hormonas en los animales. Se han encontrado prostaglandinas en casi todos los tejidos de humanos y otros animales. Se derivan enzimáticamente del ácido araquidónico, un ácido graso poliinsaturado de 20 carbonos. Por tanto, cada prostaglandina contiene 20 átomos de carbono , incluido un anillo de 5 carbonos . Son una subclase de eicosanoides y forman la clase de prostanoides de derivados de ácidos grasos. [25]
Las prostaglandinas se sintetizan en la membrana celular mediante la escisión del araquidonato de los fosfolípidos que forman la membrana. Esto es catalizado por una fosfolipasa A 2 que actúa directamente sobre un fosfolípido de membrana o por una lipasa que actúa sobre DAG (diacilglicerol). Luego, el componente ciclooxigenasa de la prostaglandina sintasa actúa sobre el araquidonato . Esto forma un anillo de ciclopentano aproximadamente en el medio de la cadena de ácidos grasos. La reacción también suma 4 átomos de oxígeno derivados de dos moléculas de O 2 . La molécula resultante es la prostaglandina G 2 , que el componente hidroperoxidasa del complejo enzimático convierte en prostaglandina H 2 . Este compuesto altamente inestable se transforma rápidamente en otras prostaglandinas, prostaciclina y tromboxanos. [25] Estos luego se liberan en los líquidos intersticiales que rodean las células que han fabricado la hormona eicosanoide.
Si el araquidonato actúa sobre una lipoxigenasa en lugar de una ciclooxigenasa, se forman ácidos hidroxieicosatetraenoicos y leucotrienos . También actúan como hormonas locales.
Las prostaglandinas tienen dos derivados: las prostaciclinas y los tromboxanos . Las prostaciclinas son potentes vasodilatadores de acción local e inhiben la agregación de plaquetas sanguíneas . A través de su papel en la vasodilatación, las prostaciclinas también participan en la inflamación . Se sintetizan en las paredes de los vasos sanguíneos y cumplen la función fisiológica de prevenir la formación de coágulos innecesarios, así como de regular la contracción del tejido muscular liso . [26] Por el contrario, los tromboxanos (producidos por las células plaquetarias) son vasoconstrictores y facilitan la agregación plaquetaria. Su nombre proviene de su papel en la formación de coágulos ( trombosis ).
Una proporción importante de los ácidos grasos del organismo se obtienen de la dieta, en forma de triglicéridos, ya sea de origen animal o vegetal. Los ácidos grasos de las grasas obtenidas de animales terrestres tienden a ser saturados, mientras que los ácidos grasos de los triglicéridos de peces y plantas suelen ser poliinsaturados y, por tanto, están presentes en forma de aceites.
Estos triglicéridos no pueden ser absorbidos por el intestino . [27] Se descomponen en mono y diglicéridos más ácidos grasos libres (pero no en glicerol libre) por la lipasa pancreática , que forma un complejo 1:1 con una proteína llamada colipasa (también un constituyente del jugo pancreático), que es necesario para su actividad. El complejo activado sólo puede funcionar en la interfaz agua-grasa. Por lo tanto, es esencial que las grasas sean primero emulsionadas con sales biliares para una actividad óptima de estas enzimas. [28] Los productos de la digestión consisten en una mezcla de triglicéridos, diglicéridos y monoglicéridos y ácidos grasos libres que, junto con otros contenidos liposolubles de la dieta (por ejemplo, las vitaminas liposolubles y el colesterol) y las sales biliares, forman micelas mixtas. , en el contenido duodenal acuoso (ver diagramas a la derecha). [27] [29]
El contenido de estas micelas (pero no las sales biliares) ingresa a los enterocitos (células epiteliales que recubren el intestino delgado), donde se resintetizan en triglicéridos y se empaquetan en quilomicrones que se liberan en los lácteos (los capilares del sistema linfático de los intestinos). ). [30] Estos lácteos drenan en el conducto torácico que desemboca en la sangre venosa en la unión de las venas yugular izquierda y subclavia izquierda en la parte inferior izquierda del cuello. Esto significa que los productos liposolubles de la digestión se descargan directamente a la circulación general, sin pasar primero por el hígado, a diferencia de todos los demás productos de la digestión. Se desconoce el motivo de esta peculiaridad. [31]
Los quilomicrones circulan por todo el cuerpo, dando al plasma sanguíneo un aspecto lechoso o cremoso después de una comida grasa. [ cita necesaria ] La lipoproteína lipasa en las superficies endoteliales de los capilares, especialmente en el tejido adiposo , pero en menor medida también en otros tejidos, digiere parcialmente los quilomicrones en ácidos grasos libres, glicerol y restos de quilomicrones. Los ácidos grasos son absorbidos por los adipocitos [ cita necesaria ] , pero los restos de glicerol y quilomicrones permanecen en el plasma sanguíneo y, en última instancia, el hígado los elimina de la circulación. Los ácidos grasos libres liberados por la digestión de los quilomicrones son absorbidos por los adipocitos [ cita requerida ] , donde se resintetizan en triglicéridos utilizando glicerol derivado de la glucosa en la vía glucolítica [ cita requerida ] . Estos triglicéridos se almacenan, hasta que se necesitan para satisfacer las necesidades de combustible de otros tejidos, en la gota de grasa del adipocito .
El hígado absorbe una parte de la glucosa de la sangre en la vena porta procedente de los intestinos. Una vez que el hígado ha reabastecido sus reservas de glucógeno (que ascienden a sólo unos 100 g de glucógeno cuando están llenas), gran parte del resto de la glucosa se convierte en ácidos grasos como se describe a continuación. Estos ácidos grasos se combinan con glicerol para formar triglicéridos que se empaquetan en gotitas muy similares a los quilomicrones, pero conocidas como lipoproteínas de muy baja densidad (VLDL). Estas gotitas de VLDL se procesan exactamente de la misma manera que los quilomicrones, excepto que el remanente de VLDL se conoce como lipoproteína de densidad intermedia (IDL), que es capaz de eliminar el colesterol de la sangre. Esto convierte la IDL en lipoproteína de baja densidad (LDL), que es absorbida por las células que necesitan colesterol para incorporarlo a sus membranas celulares o para fines sintéticos (por ejemplo, la formación de hormonas esteroides ). El hígado elimina el resto de las LDL. [32]
El tejido adiposo y las glándulas mamarias lactantes también captan glucosa de la sangre para convertirla en triglicéridos. Esto ocurre de la misma manera que en el hígado, excepto que estos tejidos no liberan a la sangre los triglicéridos así producidos como VLDL. Las células del tejido adiposo almacenan los triglicéridos en sus gotitas de grasa, para finalmente liberarlos nuevamente como ácidos grasos libres y glicerol en la sangre (como se describió anteriormente), cuando la concentración plasmática de insulina es baja y la de glucagón y/o epinefrina es alta. . [33] Las glándulas mamarias descargan la grasa (como gotitas de grasa cremosa) en la leche que producen bajo la influencia de la hormona prolactina de la hipófisis anterior .
Todas las células del cuerpo necesitan fabricar y mantener sus membranas y las membranas de sus orgánulos. Se desconoce si dependen exclusivamente de los ácidos grasos libres absorbidos de la sangre o si son capaces de sintetizar sus propios ácidos grasos a partir de la glucosa en sangre. Es casi seguro que las células del sistema nervioso central tendrán la capacidad de fabricar sus propios ácidos grasos, ya que estas moléculas no pueden alcanzarlos a través de la barrera hematoencefálica . [34] Sin embargo, se desconoce cómo llegan a ellos los ácidos grasos esenciales , que los mamíferos no pueden sintetizar por sí mismos pero que, sin embargo, son componentes importantes de las membranas celulares (y otras funciones descritas anteriormente).
Al igual que la beta-oxidación , la síntesis de ácidos grasos de cadena lineal se produce mediante las seis reacciones recurrentes que se muestran a continuación, hasta que se produce el ácido palmítico de 16 carbonos . [35] [36]
Los diagramas presentados muestran cómo se sintetizan los ácidos grasos en los microorganismos y enumeran las enzimas que se encuentran en Escherichia coli . [35] Estas reacciones son realizadas por la ácido graso sintasa II (FASII), que en general contiene múltiples enzimas que actúan como un complejo. FASII está presente en procariotas , plantas, hongos y parásitos, así como en mitocondrias . [37]
En animales, así como en algunos hongos como la levadura, estas mismas reacciones ocurren en la ácido graso sintasa I (FASI), una proteína dimérica grande que tiene todas las actividades enzimáticas necesarias para crear un ácido graso. FASI es menos eficiente que FASII; sin embargo, permite la formación de más moléculas, incluidos los ácidos grasos de "cadena media" mediante la terminación temprana de la cadena. [37] Las enzimas, aciltransferasas y transacilasas, incorporan ácidos grasos en fosfolípidos, triacilgliceroles, etc. mediante la transferencia de ácidos grasos entre un aceptor de acilo y un donante. También tienen la tarea de sintetizar lípidos bioactivos así como sus moléculas precursoras. [38]
Una vez que se ha formado un ácido graso de carbono 16:0, puede sufrir una serie de modificaciones, lo que resulta en desaturación y/o alargamiento. El alargamiento, comenzando con el estearato (18:0), se realiza principalmente en el retículo endoplásmico mediante varias enzimas unidas a la membrana. Los pasos enzimáticos implicados en el proceso de elongación son principalmente los mismos que los que se llevan a cabo en la síntesis de ácidos grasos , pero los cuatro principales pasos sucesivos del alargamiento los realizan proteínas individuales, que pueden estar asociadas físicamente. [39] [40]
Abreviaturas: ACP – Proteína portadora de acilo , CoA – Coenzima A , NADP – Nicotinamida adenina dinucleótido fosfato .
Tenga en cuenta que durante la síntesis de grasas el agente reductor es NADPH , mientras que NAD es el agente oxidante en la beta-oxidación (la degradación de ácidos grasos a acetil-CoA). Esta diferencia ejemplifica el principio general de que el NADPH se consume durante las reacciones biosintéticas, mientras que el NADH se genera en reacciones que producen energía. [34] (Por lo tanto, el NADPH también es necesario para la síntesis de colesterol a partir de acetil-CoA; mientras que el NADH se genera durante la glucólisis ). La fuente de NADPH es doble. Cuando el malato se descarboxila oxidativamente mediante piruvato , la “ enzima málica ligada a NADP + ”, se forman CO 2 y NADPH. El NADPH también se forma por la vía de las pentosas fosfato que convierte la glucosa en ribosa, que puede usarse en la síntesis de nucleótidos y ácidos nucleicos . o puede catabolizarse a piruvato [34] .
En los seres humanos, los ácidos grasos se forman a partir de carbohidratos principalmente en el hígado y el tejido adiposo , así como en las glándulas mamarias durante la lactancia. El piruvato producido por la glucólisis es un intermediario importante en la conversión de carbohidratos en ácidos grasos y colesterol. [34] Esto ocurre mediante la conversión de piruvato en acetil-CoA en la mitocondria. Sin embargo, este acetil CoA necesita ser transportado al citosol donde se produce la síntesis de ácidos grasos y colesterol. Esto no puede ocurrir directamente. Para obtener acetil-CoA citosólica, el citrato (producido por la condensación de acetil CoA con oxalacetato) se elimina del ciclo del ácido cítrico y se transporta a través de la membrana mitocondrial interna hasta el citosol. [34] Allí es escindido por la ATP citrato liasa en acetil-CoA y oxaloacetato. El oxaloacetato regresa a la mitocondria como malato (y luego se convierte nuevamente en oxaloacetato para transferir más acetil-CoA fuera de la mitocondria). [41] La acetil-CoA citosólica es carboxilada por la acetil-CoA carboxilasa en malonil-CoA , el primer paso comprometido en la síntesis de ácidos grasos. [41] [42]
La acetil-CoA se transforma en malonil-CoA mediante la acetil-CoA carboxilasa , momento en el que la malonil-CoA está destinada a alimentar la vía de síntesis de ácidos grasos. La acetil-CoA carboxilasa es el punto de regulación en la síntesis de ácidos grasos saturados de cadena lineal y está sujeta tanto a fosforilación como a regulación alostérica . La regulación por fosforilación ocurre principalmente en mamíferos, mientras que la regulación alostérica ocurre en la mayoría de los organismos. El control alostérico ocurre como inhibición por retroalimentación por palmitoil-CoA y activación por citrato. Cuando hay niveles elevados de palmitoil-CoA, el producto final de la síntesis de ácidos grasos saturados, inactiva alostéricamente la acetil-CoA carboxilasa para prevenir la acumulación de ácidos grasos en las células. El citrato actúa para activar la acetil-CoA carboxilasa en niveles altos, porque los niveles altos indican que hay suficiente acetil-CoA para alimentar el ciclo de Krebs y producir energía. [43]
Los niveles elevados de insulina en el plasma sanguíneo (por ejemplo, después de las comidas) provocan la desfosforilación y activación de la acetil-CoA carboxilasa, promoviendo así la formación de malonil-CoA a partir de acetil-CoA y, en consecuencia, la conversión de carbohidratos en ácidos grasos, mientras que la epinefrina y el glucagón (liberado en la sangre durante la inanición y el ejercicio) provocan la fosforilación de esta enzima, inhibiendo la lipogénesis a favor de la oxidación de los ácidos grasos mediante la beta-oxidación . [34] [42]
Los trastornos del metabolismo de los ácidos grasos se pueden describir en términos de, por ejemplo, hipertrigliceridemia (nivel demasiado alto de triglicéridos ) u otros tipos de hiperlipidemia . Estos pueden ser familiares o adquiridos.
Los tipos familiares de trastornos del metabolismo de los ácidos grasos generalmente se clasifican como errores congénitos del metabolismo de los lípidos . Estos trastornos pueden describirse como trastornos de oxidación de ácidos grasos o trastornos de almacenamiento de lípidos , y son cualquiera de varios errores innatos del metabolismo que resultan de defectos enzimáticos o de proteínas de transporte que afectan la capacidad del cuerpo para oxidar ácidos grasos con el fin de producir energía. dentro de los músculos, el hígado y otros tipos de células . Cuando un trastorno de oxidación de ácidos grasos afecta a los músculos se trata de una miopatía metabólica .
Además, las células cancerosas pueden mostrar un metabolismo irregular de los ácidos grasos con respecto tanto a la síntesis de ácidos grasos [44] como a la oxidación de ácidos grasos mitocondriales (FAO) [45] que están involucrados en diversos aspectos de la tumorigénesis y el crecimiento celular.
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