Biosíntesis de ácidos grasos Química Biológica II Bioq. María Victoria Aguirre

Objetivos • Conocer las etapas de la sìntesis de los ácidos grasos • Distinguir los componentes del complejo de la acido graso sintasa • Conocer los mecanismos de elongación y desaturación de los ácidos grasos • Comparar las similitudes y diferencias entre la biosíntesis y la beta-oxidación de los ácidos grasos

El desafío: Ac-CoA en citosol • • •

•

De dónde proviene? La degradación de algunos AA produce acetil-CoA citosolico La oxidacion de ac. grasos produce acetilCoA mitocondrial Glicolisis rinde piruvato citosolico que es convertido a acetil-CoA en mitocondria La lanzadera malato-piruvato provee unidades de acetato citosolico y equivalentes reductores para la síntesis de àc. grasos

Acetil-CoA Carboxilasa (ACC)  La carboxilacion de Acetil-CoA a malonilCoA es el paso irreversible y crítico de la biosìntesis  ACC usa bicarbonato, ATP y biotina  La enzima eucarionte es una cadena polipeptídica con tres funciones: • proteìna portadora de carboxilbiotina, • biotina carboxilasa y • transcarboxilasa

El cebador de la sìntesis es una molecula de acetil-CoA, Las demàs unidades se carboxilan luego a malonil-CoA.

O H3C

C

SCoA

acetyl-CoA O 

OOC

CH2

C

SCoA

malonyl-CoA

La carboxilación es ATP-dependiente y necesita energía. El CO2 se pierde durante la condensación de 2 C.

La descarboxilación espontánea impulsa la reacción.

Enzyme-biotin HCO3 + ATP

1

ADP + Pi Enzyme-biotin-CO2 O ll

CH3-C-SCoA acetyl-CoA

2 Enzyme-biotin O

-

ll

O2C-CH2-C-SCoA malonyl-CoA

La reacción neta de la AcetilCoA Carboxilasa:: HCO3 + ATP + acetil-CoA  ADP + Pi + malonilCoA

O O

C C

O

N

NH

CH CH CH

H2C S

Carboxybiotin

O

O (CH2)4 C

NH

C

(CH2)4 CH

lysine NH residue

La Biotina está unida a la enzima por una unión amida entre el COO- de la biotina y el grupo eamino de un residuo de lisina. Se forma así un brazo largo y flexible que permite al anillo de biotina translocarse entre los 2 sitios activos.

Otras características de ACC… ACC forma polímeros filamentosos activos a partir de protómeros inactivos ACC està cuidadosamente regulada por catalizar el paso comprometido de la síntesis. El producto (Palmitoil-CoA ) favorece la presencia de monómeros El citrato favorece a la forma activa polimérica La fosforilación modula la activación por citrato y la inhibición por palmitoil-CoA.

Estructura del complejo de la ácido graso sintetasa

La ácido graso sintetasa es una gran molécula con múltiples sitios activos

* *

Brink, Jacob et al. (2002) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99, 138-143

Características de la àc. graso sintasa de mamíferos  Todos los sitios activos se ubican en una sola cadena polipeptídica, pero las cadenas tienen que trabajar como dímeros para ser activas  Solamente en estado polimerizado (polímeros en bacterias y dímeros en eucariontes) la enzima es activa  La sìntesis de àc grasos llega hasta palmitato (16 C), la elongación y desaturación se producen en retículo endoplásmico.

El grupo 4’ fosfopanteteìna se halla en la ACP (proteìna carrier de acilos) de la sintasa y en la Coenzima A

H +

H3N

C

SH COO

Coenzyme A



CH 2

CH2

CH 2

SH

NH

cysteine

Grupos prosteticos de la ac. Graso sintetasa:  El tiol de la cadena lateral del residuo de cisteína del residuo de la enzima condensante.  El tiol de la fosfopanteteína, es equivalente a parte de la estructura de la Coenzima A.

-mercaptoethylamine

C

O

CH 2 CH 2

pantothenate

NH C

NH 2 O

ADP-3'phosphate

HO

C

H

H3 C

C

CH 3 O

H2 C

O

P

N

N

O O

O

P

N

N O

CH 2

O

O

H

H

O

H OH

H

phosphopantetheine



O

P O

O

SH CH2

Fosfopanteteína está unida covalentemente unida a un OH de la serina a la proteína transportadora de acilos

CH2

-mercaptoethylamine

NH C

O

CH2

( acyl carrier proteinACP ) de la acido graso sintetasa. El brazo largo y flexible de la fosfopanteteina ayuda a mover el acilo unido al grupo SH de un sitio activo a otro dentro del complejo.

phosphopantetheine of acyl carrier protein

CH2

pantothenate

NH C

O

HO

C

H

H 3C

C

CH3 O

H2C

O

P

NH O

O

phosphate

CH2

CH C

serine residue O

NADPH + H+

NADPH + H+

NADPH + H+

Procesamiento posterior de los acidos grasos • Alargamiento en mitocondria y RE • Introducción de dobles enlaces Cis • Los eucariotas adicionan dobles enlaces en la mitad de la cadena a diferencia de los procariotas que lo hacen mientras el sitio de ataque está próximo al de fijación a la ACP • En eucariotas la desaturación necesita de la incorporación de O2 • La poliinsaturación difiere en plantas y animales.

 La elongacion de Ac. Grasos en mitocondria involucra reacciones similares a las de oxidacion en sentido inverso actuando el NADPH como reductor.  Los acidos grasos poliinsaturados esterificados a CoA son sustratos para la maquinaria de elongación del RE, que usa malonilCoA como donante de 2 unidades de carbono.



La secuencia de reacciones es similar a la AGS pero los pasos individuales se catalizan por proteinas aisladas.



Una familia de enzimas llamadas Acido graso Elongasas cataliza el paso inicial de elongación para la formación de acidos grasos poliinsaturados

10 9

O C

OH

oleate 18:1 cis D9

Las Desaturasas introducen dobles enlaces en posiciones específicas.

Las cèlulas mamìferas no pueden formar dobles enlaces del tipo D12 o posteriores. Ciertos acidoss grasos son de tipo esenciales dietarios, e.j., ac. linoleico , 18:2 cis D9,12

10 9

O C

OH

oleate 18:1 cis D9

La formación de C=C involucra las siguientes proteínas del RE:  NADH-cit b5 Reductasa, flavoproteina con FAD como grupo prostético.

 Citocrome b5, que puede estar aislado o ser un dominio del extremo de una desaturasa.  Desaturasa, con un sitio activo con 2 átomos de Fe acomplejados con residuos de histidina.

La desaturasa cataliza una reacción mixta oxidativa. 4-electrones reducen al O2  2 H2O y el àc. graso se oxida formando el doble enlace.  2e pasan desde NADH a la desaturasa según: NADH  FAD  cit b5  desaturasa  2e son extraídos del ác. graso cuando se forma el C=C. E.j., la reacción neta para la desaturación del estearato (18:0) para formar oleato (18:1 cis D9) es: Estearato + NADH + H+ + O2  oleato + NAD+ + 2H2O

Regulación de la síntesis de ác. grasos

• • • • • •

Modulación alostérica, fosforilación y hormonas Malonil-CoA bloquea la acción de la carnitin aciltransferasa  inhibe la beta-oxidacion Citrato activa la acetil-CoA carboxilasa Acil grasos Co-As inhiben a la acetil-CoA carboxilasa La actividad de ACC està regulada por hormonas Glucagon activa lipasas/inhibe ACC Insulina inhibe lipasas/activa ACC

Acetil-CoA Carboxilasa, cataliza el paso crítico de la síntesis. La enzima mamífera está regulada por  fosforilación  control alosterico. Los Cambios conformacionales asociados con la regulación:

 En la conformación activa, Acetil-CoA Carboxilasa forma complejos filamentosos multiméricos.  La transición a la forma inactiva se produce por disociación para dar la forma monomerica (protomeros).

Phosphorylated protomer of Acetyl-CoA Carboxylase (inactive) Citrate

La PKA dependiente de AMPc cataliza la inibición de la ACC por fosforilación.

Dephosphorylated, e.g., by insulinactivated Protein Phosphatase

Palmitoyl-CoA Phosphorylated, e.g., via AMP-activated Kinase when cellular stress or exercise depletes ATP.

Dephosphorylated Polymer of Acetyl-CoA Carboxylase (active) Regulation of Acetyl-CoA Carboxylase

La disminución de producción de malonil-CoA previene la biosintesis de ac. grasos cuando la energía celular es insuficiente.

O H3C

C

SCoA

acetyl-CoA O 

OOC

CH2

C

SCoA

malonyl-CoA

La cascada del AMPc A activada por glucagon & adrenalina cuando hay hipoglucemia, puede producir tambien fosforilación de ACC por la PKA AMPcdependiente. Con ACC inhibida, la acetil-CoA permanece disponible para la síntesis de cuerpos cetónicos (combustible alternativo).

Phosphorylated protomer of Acetyl-CoA Carboxylase (inactive) Citrate Dephosphorylated, e.g., by insulinactivated Protein Phosphatase

Palmitoyl-CoA Phosphorylated, e.g., via AMP-activated Kinase when cellular stress or exercise depletes ATP.

Dephosphorylated Polymer of Acetyl-CoA Carboxylase (active) Regulation of Acetyl-CoA Carboxylase

El efecto antagonista de la insulina, producida cuando hay hiperglucemia se atribuye a la activación de la protein fosfatasa.

La acido graso sintasa está transcripcionalmente regulada. En hígado:  Insulina, estimula la expresión de la ácido graso sintetasa. El exceso de glucosa se almacena como grasas. Los factores de transcripcion que median los efectos estimulatorios de la insulina incluyen a USFs (upstream stimulatory factors) y la proteína SREBP-1(sterol response element binding proteins) identificadas primariamente en la regulación de la síntesis de colesterol.  Los acidos grasos poliinsaturados disminuyen la transcripción del gen de la Acido graso sintetasa

En adipocitos: Expresion de SREBP-1 y de acido graso sintasa se inhibe por la leptina, una hormona que regula el apetito y el metabolismo de los lipidos.

Leptina se produce por los adipocitos en respuesta al depósito lipidico. Regula el peso corporal disminuyendo la ingesta, aumentando el gasto calórico e inhibiendo la síntesis de ácidos grasos.

Diferencias entre la síntesis y  oxidación de los ácidos grasos