En bioquímica , la síntesis de ácidos grasos es la creación de ácidos grasos a partir de acetil-CoA y NADPH mediante la acción de enzimas llamadas ácidos grasos sintasas . Este proceso tiene lugar en el citoplasma de la célula . La mayor parte del acetil-CoA que se convierte en ácidos grasos se deriva de los carbohidratos a través de la vía glucolítica . La vía glucolítica también proporciona el glicerol con el que se pueden combinar tres ácidos grasos (mediante enlaces éster ) para formar triglicéridos (también conocidos como "triacilgliceroles" -para distinguirlos de los "ácidos" grasos- o simplemente como "grasa"), el Producto final del proceso lipogénico . Cuando solo dos ácidos grasos se combinan con glicerol y el tercer grupo alcohol se fosforila con un grupo como la fosfatidilcolina , se forma un fosfolípido . Los fosfolípidos forman la mayor parte de las bicapas lipídicas que forman las membranas celulares y rodean los orgánulos dentro de las células (como el núcleo celular , las mitocondrias , el retículo endoplásmico , el aparato de Golgi , etc.). Además de la síntesis de ácidos grasos citosólicos, también existe la síntesis de ácidos grasos mitocondriales (mtFASII), en la que se forma malonil-CoA a partir del ácido malónico con la ayuda de la malonil-CoA sintetasa ( ACSF3 ), que luego se convierte en el producto final octanoil-ACP. (C8) a través de pasos intermedios adicionales. [1]
Los ácidos grasos de cadena lineal se presentan en dos tipos: saturados e insaturados.
Al igual que la β-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. [2] [3]
Los diagramas presentados muestran cómo se sintetizan los ácidos grasos en los microorganismos y enumeran las enzimas que se encuentran en Escherichia coli . [2] 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 . [4]
En los 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. FASII es menos eficiente que FASI; sin embargo, permite la formación de más moléculas, incluidos los ácidos grasos de "cadena media" mediante la terminación temprana de la cadena. [4]
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. La elongación, comenzando con el estearato (18:0), se realiza principalmente en el RE mediante varias enzimas unidas a la membrana. Los pasos enzimáticos implicados en el proceso de elongación son principalmente los mismos que los llevados a cabo por FAS, pero los cuatro principales pasos sucesivos del alargamiento los realizan proteínas individuales, que pueden estar asociadas físicamente. [5] [6]
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 reacciones biosintéticas, mientras que el NADH se genera en reacciones que producen energía. [7] (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 la "enzima málica unida a NADP + " para formar piruvato , se forman CO 2 y NADPH. El NADPH también se forma mediante 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. [7]
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. [7] 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. [7] Allí es escindido por la ATP citrato liasa en acetil-CoA y oxaloacetato. El oxaloacetato se puede utilizar para la gluconeogénesis (en el hígado) o se puede devolver a la mitocondria como malato. [8] La acetil-CoA citosólica es carboxilada por la acetil-CoA carboxilasa en malonil-CoA , el primer paso comprometido en la síntesis de ácidos grasos. [8] [9]
El principal combustible almacenado en el cuerpo de los animales es la grasa. Las reservas de grasa de un adulto joven promedian entre 15 y 20 kg (33 a 44 libras), pero varían mucho según la edad, el sexo y la disposición individual. [10] Por el contrario, el cuerpo humano almacena sólo unos 400 g (0,9 lb) de glucógeno , de los cuales 300 g (0,7 lb) están encerrados dentro de los músculos esqueléticos y no están disponibles para el cuerpo en su conjunto. Los 100 g (0,2 libras) aproximadamente de glucógeno almacenados en el hígado se agotan al día siguiente de la inanición. [11] 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 ácidos grasos. [12]
Los ácidos grasos se descomponen en acetil-CoA mediante beta oxidación dentro de la mitocondria, mientras que los ácidos grasos se sintetizan a partir de acetil-CoA fuera de la mitocondria, 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 . [12] Tampoco se puede convertir en piruvato ya que la reacción de descarboxilación del piruvato es irreversible. [11] En cambio, se condensa con oxalacetato , 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. El malato es la única sustancia que se puede eliminar de la mitocondria para entrar en la vía gluconeogénica para formar glucosa o glucógeno en el hígado o cualquier otro tejido. [12] Por lo tanto, no puede haber una conversión neta de ácidos grasos en glucosa.
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. [12]
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 conservar energía. [13]
Los niveles elevados de insulina en el plasma sanguíneo (por ejemplo, después de las comidas) provocan la desfosforilación de la acetil-CoA carboxilasa, favoreciendo 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 (liberados 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 . [7] [9]
Muchas bacterias utilizan la vía anaeróbica para sintetizar ácidos grasos insaturados. Esta vía no utiliza oxígeno y depende de enzimas para insertar el doble enlace antes del alargamiento utilizando la maquinaria normal de síntesis de ácidos grasos. En Escherichia coli , esta vía se comprende bien.
La mayoría de las bacterias que sufren desaturación anaeróbica contienen homólogos de FabA y FabB. [16] Los clostridios son la principal excepción; Tienen una nueva enzima, aún por identificar, que cataliza la formación del doble enlace cis. [15]
Esta vía sufre regulación transcripcional por FadR y FabR. FadR es la proteína más estudiada y se le han atribuido características bifuncionales. Actúa como activador de la transcripción fabA y fabB y como represor del regulón de β-oxidación . Por el contrario, FabR actúa como represor de la transcripción de fabA y fabB. [14]
La desaturación aeróbica es la vía más extendida para la síntesis de ácidos grasos insaturados. Se utiliza en todos los eucariotas y algunos procariotas. Esta vía utiliza desaturasas para sintetizar ácidos grasos insaturados a partir de sustratos de ácidos grasos saturados de longitud completa. [17] Todas las desaturasas requieren oxígeno y, en última instancia, consumen NADH, aunque la desaturación es un proceso oxidativo. Las desaturasas son específicas del doble enlace que inducen en el sustrato. En Bacillus subtilis , la desaturasa, Δ 5 -Des, es específica para inducir un doble enlace cis en la posición Δ 5 . [8] [17] Saccharomyces cerevisiae contiene una desaturasa, Ole1p, que induce el doble enlace cis en Δ 9 . [8]
En los mamíferos, la desaturación aeróbica es catalizada por un complejo de tres enzimas unidas a la membrana ( NADH-citocromo b 5 reductasa, citocromo b 5 y una desaturasa ). Estas enzimas permiten que el oxígeno molecular, O
2, para interactuar con la cadena grasa saturada de acil-CoA, formando un doble enlace y dos moléculas de agua, H
2O. Dos electrones provienen de NADH + H.+
y dos del enlace simple de la cadena de ácidos grasos. [7] Sin embargo, estas enzimas de mamíferos son incapaces de introducir dobles enlaces en átomos de carbono más allá del C-9 en la cadena de ácidos grasos. [nb 1] .) Por lo tanto, los mamíferos no pueden sintetizar linoleato o linolenato (que tienen dobles enlaces en las posiciones C-12 (= Δ 12 ), o C-12 y C-15 (= Δ 12 y Δ 15 ), respectivamente, así como en la posición Δ 9 ), ni el ácido araquidónico poliinsaturado de 20 carbonos que se deriva del linoleato. Todos ellos se denominan ácidos grasos esenciales , lo que significa que son necesarios para el organismo, pero sólo pueden obtenerse a través de la dieta. (El ácido araquidónico es el precursor de las prostaglandinas que cumplen una amplia variedad de funciones como hormonas locales ). [7]
Los ácidos grasos de cadena impar (OCFA) son aquellos ácidos grasos que contienen un número impar de átomos de carbono. Los OCFA más comunes son los derivados saturados C15 y C17, respectivamente el ácido pentadecanoico y el ácido heptadecanoico . [18] La síntesis de ácidos grasos de cadena par se realiza mediante el ensamblaje de precursores de acetil-CoA ; sin embargo, el propionil-CoA en lugar de acetil-CoA se utiliza como cebador para la biosíntesis de ácidos grasos de cadena larga con un número impar de Átomos de carbón. [19]
En B. subtilis , esta vía está regulada por un sistema de dos componentes : DesK y DesR. DesK es una quinasa asociada a membrana y DesR es un regulador transcripcional del gen des . [8] [17] La regulación responde a la temperatura; cuando hay una caída de temperatura, este gen se regula al alza. Los ácidos grasos insaturados aumentan la fluidez de la membrana y la estabilizan a temperaturas más bajas. DesK es la proteína sensora que, cuando hay una disminución de temperatura, se autofosforilará. DesK-P transferirá su grupo fosforilo a DesR. Dos proteínas DesR-P se dimerizarán y se unirán a los promotores de ADN del gen des y reclutarán la ARN polimerasa para comenzar la transcripción. [8] [17]
Pseudomonas aeruginosa
En general, la síntesis de ácidos grasos insaturados anaeróbicos y aeróbicos no ocurrirá dentro del mismo sistema; sin embargo, Pseudomonas aeruginosa y Vibrio ABE-1 son excepciones. [20] [21] [22] Si bien P. aeruginosa sufre principalmente desaturación anaeróbica, también sufre dos vías aeróbicas. Una vía utiliza una Δ 9 -desaturasa (DesA) que cataliza la formación de un doble enlace en los lípidos de membrana. Otra vía utiliza dos proteínas, DesC y DesB, juntas para actuar como una Δ 9 -desaturasa, que inserta un doble enlace en una molécula de ácido graso saturado-CoA. Esta segunda vía está regulada por la proteína represora DesT. DesT también es un represor de la expresión de fabAB para la desaturación anaeróbica en presencia de ácidos grasos insaturados exógenos. Esto funciona para coordinar la expresión de las dos vías dentro del organismo. [21] [23]
Los ácidos grasos de cadena ramificada suelen estar saturados y se encuentran en dos familias distintas: las series iso y las series anteiso. Se ha descubierto que los actinomicetos contienen mecanismos únicos de síntesis de ácidos grasos de cadena ramificada, incluido el que forma el ácido tuberculoestérico.
El sistema de síntesis de ácidos grasos de cadena ramificada utiliza α-cetoácidos como cebadores. Este sistema es distinto de la sintetasa de ácidos grasos de cadena ramificada que utiliza ésteres de acil-CoA de cadena corta como cebadores. [24] Los cebadores de α-cetoácido se derivan de la transaminación y descarboxilación de valina , leucina e isoleucina para formar 2-metilpropanil-CoA, 3-metilbutiril-CoA y 2-metilbutiril-CoA, respectivamente. [25] Los cebadores de 2-metilpropanil-CoA derivados de la valina se alargan para producir ácidos grasos de series iso pares, como el ácido 14-metil-pentadecanoico (isopalmítico), y se pueden usar cebadores de 3-metilbutiril-CoA de leucina para formar Ácidos grasos de series iso impares como el ácido 13-metil-tetradecanoico. Los cebadores de 2-metilbutiril-CoA de isoleucina se alargan para formar ácidos grasos de la serie anteiso que contienen un número impar de átomos de carbono, como el ácido 12-metiltetradecanoico. [26] La descarboxilación de los precursores de los cebadores se produce a través de la enzima α-cetoácido descarboxilasa (BCKA) de cadena ramificada. El alargamiento del ácido graso sigue la misma vía biosintética que en Escherichia coli se utiliza para producir ácidos grasos de cadena lineal donde se utiliza malonil-CoA como extensor de cadena. [27] Los principales productos finales son ácidos grasos de cadena ramificada de 12 a 17 carbonos y su composición tiende a ser uniforme y característica de muchas especies bacterianas. [26]
BCKA descarboxilasa y actividades relativas de sustratos de α-cetoácido
La enzima BCKA descarboxilasa está compuesta por dos subunidades en una estructura tetramérica (A 2 B 2 ) y es esencial para la síntesis de ácidos grasos de cadena ramificada. Es responsable de la descarboxilación de los α-cetoácidos formados por la transaminación de valina, leucina e isoleucina y produce los cebadores utilizados para la síntesis de ácidos grasos de cadena ramificada. La actividad de esta enzima es mucho mayor con sustratos de α-cetoácido de cadena ramificada que con sustratos de cadena lineal, y en especies de Bacillus su especificidad es mayor para el ácido α-ceto-β-metilvalérico derivado de isoleucina, seguido del ácido α- cetoisocaproato y α-cetoisovalerato. [26] [27] La alta afinidad de la enzima hacia los α-cetoácidos de cadena ramificada le permite funcionar como sistema donador de cebadores para la sintetasa de ácidos grasos de cadena ramificada. [27]
Factores que afectan la longitud de la cadena y la distribución del patrón.
Los cebadores de α-cetoácido se utilizan para producir ácidos grasos de cadena ramificada que, en general, tienen entre 12 y 17 carbonos de longitud. Las proporciones de estos ácidos grasos de cadena ramificada tienden a ser uniformes y consistentes entre una especie bacteriana particular, pero pueden alterarse debido a cambios en la concentración de malonil-CoA, la temperatura o los factores termoestables (HSF) presentes. [26] Todos estos factores pueden afectar la longitud de la cadena, y se ha demostrado que los HSF alteran la especificidad de la BCKA descarboxilasa por un sustrato de α-cetoácido particular, cambiando así la proporción de ácidos grasos de cadena ramificada producidos. [26] Se ha demostrado que un aumento en la concentración de malonil-CoA da como resultado una mayor proporción de ácidos grasos C17 producidos, hasta que se alcanza la concentración óptima (≈20 μM) de malonil-CoA. La disminución de las temperaturas también tiende a cambiar ligeramente la distribución de los ácidos grasos hacia los ácidos grasos C17 en las especies de Bacillus . [24] [26]
Este sistema funciona de manera similar al sistema de síntesis de ácidos grasos de cadena ramificada, sin embargo, utiliza ácidos carboxílicos de cadena corta como cebadores en lugar de alfa-cetoácidos. En general, este método lo utilizan bacterias que no tienen la capacidad de realizar el sistema de ácidos grasos de cadena ramificada utilizando cebadores alfa-ceto. Los cebadores de cadena corta típicos incluyen isovalerato, isobutirato y 2-metilbutirato. En general, los ácidos necesarios para estas imprimaciones se absorben del medio ambiente; esto se observa a menudo en las bacterias ruminales. [28]
La reacción general es:
La diferencia entre la ácido graso sintasa (de cadena lineal) y la ácido graso sintasa de cadena ramificada es la especificidad de sustrato de la enzima que cataliza la reacción de acil-CoA a acil-ACP. [24]
Los ácidos grasos omega alicíclicos normalmente contienen un grupo cíclico propilo o butirilo omega terminal y son algunos de los principales ácidos grasos de membrana que se encuentran en varias especies de bacterias. La ácido graso sintetasa utilizada para producir ácidos grasos omega alicíclicos también se utiliza para producir ácidos grasos de cadena ramificada de membrana. En bacterias con membranas compuestas principalmente de ácidos grasos omega alicíclicos, el suministro de ésteres de CoA del ácido carboxílico cíclico es mucho mayor que el de los cebadores de cadena ramificada. [24] La síntesis de cebadores cíclicos no se comprende bien, pero se ha sugerido que el mecanismo implica la conversión de azúcares en ácido shikímico que luego se convierte en ésteres de CoA del ácido ciclohexilcarboxílico que sirven como cebadores para la síntesis de ácidos grasos omega alicíclicos [28 ]
El ácido tuberculoesteárico (ácido D-10-metilesteárico) es un ácido graso saturado que se sabe que es producido por Mycobacterium spp. y dos especies de Streptomyces . Se forma a partir del ácido oleico precursor (un ácido graso monoinsaturado). [29] Después de que el ácido oleico se esterifica a un fosfolípido, la S-adenosil-metionina dona un grupo metilo al doble enlace del ácido oleico. [30] Esta reacción de metilación forma el intermedio 10-metileno-octadecanoyal. La reducción sucesiva del residuo, con NADPH como cofactor, da como resultado ácido 10-metilesteárico [25]
Además de la síntesis de ácidos grasos en el citosol, las mitocondrias también realizan su propia síntesis de ácidos grasos (mtFASII). La síntesis de ácidos grasos mitocondriales es esencial para la respiración celular y la biogénesis mitocondrial . [31] También se asume un papel como mediador en la transducción de señales intracelulares , ya que los niveles de lípidos bioactivos, como los lisofosfolípidos y los esfingolípidos , se correlacionan con mtFASII. [32]
En el primer paso de mtFASII, ACSF3 forma malonil-CoA a partir de ácido malónico . [33] Esto ocurre en conjunto con una isoforma mitocondrial de ACC1 (mtACC1), que aún puede proporcionar malonil-CoA a partir de acetil-CoA. [34] Los ácidos grasos, como el octanoil-ACP (C8), que forma el sustrato inicial de la biosíntesis del ácido lipoico , se forman mediante pasos intermedios adicionales y extensiones de cadena. [32] A través del ácido lipoico como cofactor, respectivamente, el grado de lipoilación , mtFASII tiene una influencia sobre los complejos de enzimas mitocondriales en el metabolismo energético, como el complejo de piruvato deshidrogenasa , el complejo de α-cetoglutarato deshidrogenasa , el complejo BCKDH y el sistema de escisión de glicina ( GCS), entre otros. [1]
Los trastornos en mtFASII conducen a las siguientes enfermedades metabólicas:
Por lo tanto, las posiciones de los dobles enlaces en una cadena de ácido graso se pueden indicar de dos maneras, usando la notación Cn o ω-n. Por lo tanto, en un ácido graso de 18 carbonos, un doble enlace entre C-12 (o ω-7) y C-13 (o ω-6) se informa como Δ 12 si se cuenta desde el extremo –COOH (lo que indica solo el " comienzo" del doble enlace), o como ω-6 (u omega-6) si se cuenta desde el -CH
3fin. La "Δ" es la letra griega "delta", que se traduce como "D" (de doble enlace) en el alfabeto romano. Omega (ω) es la última letra del alfabeto griego y, por tanto, se utiliza para indicar el "último" átomo de carbono de la cadena de ácidos grasos. Dado que la notación ω-n se utiliza casi exclusivamente para indicar las posiciones de los dobles enlaces cercanos al -CH
3terminan en ácidos grasos esenciales , no hay necesidad de una notación equivalente tipo "Δ"; el uso de la notación "ω-n" siempre se refiere a la posición de un doble enlace.
Este proceso se describe gráficamente en la página 73.