Metabolismo lipídico y cetosis: biosíntesis y utilización de cuerpos cetónicos

Guía de Trabajos Prácticos de Química Biológica

Metabolismo Lipídico: Cetosis

Introducción

Bajo ciertas condiciones metabólicas asociadas a un índice alto de oxidación de ácidos grasos, el hígado produce cantidades considerables de acetoacetato y de ß- hidroxibutirato que pasa por difusión a la sangre. El acetoacetato experimenta continuamente descarboxilación espontánea para dar acetona.

Estas tres sustancias se conocen como Cuerpos Cetónicos.

Acetoacetato Acetona D-ß-hidroxibutirato (BHB) OH OH HỌC OH H2C CH3 HỌC O

El acetoacetato y el ß-hidroxibutirato están en equilibrio mutuo, siendo este controlado por la proporción mitocondrial del NAD+ respecto del NADH+, es decir, está controlado por el efecto redox de la célula.

Los cuerpos cetónicos son compuestos químicos producidos por cetogénesis en las mitocondrias de las células del hígado. Su función es suministrar energía al corazón y al cerebro en ciertas situaciones excepcionales. En la diabetes mellitus tipo 1, se puede acumular una cantidad excesiva de cuerpos cetónicos en la sangre, produciendo cetoacidosis diabética.

Los compuestos químicos son el ácido acetoacético (acetoacetato) y el ácido betahidroxibutírico (ß-hidroxibutirato); una parte del acetoacetato sufre descarboxilación no enzimática dando acetona (una cantidad insignificante en condiciones normales); los dos primeros son ácidos y el tercero, una cetona.

Biosíntesis de Cuerpos Cetónicos

El lugar primario de formación de los cuerpos cetónicos es el hígado y, en menor proporción, también el riñón. El proceso tiene lugar en la matriz mitocondrial y ocurre en diferentes pasos:

1. La primera reacción es la condensación de dos moléculas de acetil-CoA para formar acetoacetil-CoA, gracias a la acción de la enzima ß-cetotiolasa.
2. La molécula de acetoacetil-CoA se condensa con otra molecula de acetil-CoA para formar ß- hidroxi-ß-metilglutaril-CoA (HMG-COA), por acción de la enzima HMG-COA sintasa.
3. Finalmente, la HMG-COA liasa hidroliza el HMG-COA en una molécula de acetoacetato y una de acetil-CoA.

Una parte del acetoacetato se reduce a ß-hidroxibutirato en la propia mitocondria, lo que consume un equivalente de ATP (una molécula de NADH); esta reacción la cataliza la Trabajo Práctico Nº2-Titular: Stella Maris Batalla- Adjunta: Ma. Fátima Silva- JTP: Estefania Rinaldini, Joselina Mondaca, Evelyn Córdoba 1Guía de Trabajos Prácticos Cátedra de Química Biológica ß-idroxibutirato deshidrogenasa que se encuentra estrechamente asociada a la membrana mitocondrial interna.

En condiciones normales, una minima proporcion de acetoacetato sufre una lenta descarboxilación espontánea, no enzimática, dando acetona.

Patología de los Cuerpos Cetónicos

Los cuerpos cetónicos se forman en situaciones en las que el metabolismo de la glucosa está comprometido:

• Descompensación diabética: con cifras elevadas de glucagón en sangre
• Hipoglucemia
• Ayuno prolongado

La acetona se forma por la descarboxilación del ácido acetoacético. Así pues, los niveles de acetona son mucho menores que los de los otros dos tipos de cuerpos cetónicos. Dado que no puede volver a transformarse en acetil-CoA, se excreta a través de la orina o bien mediante exhalación. La exhalación de la acetona es la responsable de un olor afrutado característico en el aliento.

Tanto el acetoacetato como el betahidroxibutirato son ácidos, y si hay altos niveles de alguno de estos cuerpos cetónicos se produce una disminución en el pH de la sangre. Esto se da en la cetoacidosis diabética y en la cetoacidosis alcohólica. La causa de la cetoacidosis es en ambos casos la misma: la célula no tiene suficiente glucosa; en el caso de la diabetes la falta de insulina evita que la célula reciba glucosa, mientras que en el caso de la cetoacidosis alcohólica, la inanición provoca que haya menos glucosa disponible en general.

La concentración de cuerpos cetónicos totales en la sangre de mamíferos bien alimentados no excede normalmente de 1mg/100ml (como equivalentes de acetona). Es algo más alta que esto en los rumiantes. La pérdida por la orina es generalmente menor de 1mg por 24 hs. en el humano. Cantidades más altas que las normales presentes en la sangre o en la orina constituyen la cetonemia (hipercetonemia) o la cetonuria, respectivamente. A la situación global se llama CETOSIS. Los ácidos acetoacético y ß-hidroxibutírico son ácidos moderadamente fuertes y son amortiguados por los buffers cuando se encuentran en la sangre o en los tejidos. Sin embargo, su excreción continua en cantidad acarrea cierta pérdida del catión buffer (a pesar de la producción de amoníaco por los riñones) la cual causa depleción progresiva de la reserva alcalina, causando cetoacidosis. Esto puede ser mortal en la diabetes mellitus no controlada.

La forma más simple de cetosis ocurre en la inanición e implica deplecion de los carbohidratos disponibles, acoplada a la movilización de ácidos grasos libres. Ninguna otra situación en la cual la cetosis ocurre parece diferir cualitativamente de este patrón general de metabolismo, pero cuantitativamente puede ser exagerado para producir los estados patológicos que se encuentran en la diabetes mellitus, eclampsia en las ovejas y cetosis en el ganado vacuno lactante.

Otras formas no patológicas de cetosis se encuentran en condiciones de alimentación rica en grasas y después de ejercicio fuerte en el estado de pos absorción.

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In vivo, el hígado parece ser el único órgano en los no rumiantes que agrega una cantidad significativa de cuerpos cetónicos a la sangre. Los tejidos extra hepáticos los utilizan como sustratos respiratorios. En los rumiantes, la pared del rumen convierte el ácido butírico que se forma como resultado de la fermentación en ß-hidroxibutirato, el cual entra a la corriente sanguínea. También se ha señalado que la glándula mamaria lactante del rumiante produce cuerpos cetónicos. Estas fuentes de cuerpos cetónicos no contribuyen importantemente a la producción de cetosis en estas especies.

Cetogénesis Hepática y Utilización en Tejidos Extrahepáticos

El flujo neto de cuerpos cetónicos del hígado a los tejidos extra hepáticos resulta de un mecanismo enzimático activo en el hígado para la producción de cuerpos cetónicos acoplado con una actividad muy baja de las enzimas responsables para su utilización. La situación inversa ocurre en los tejidos extra hepáticos.

CETOGÉNESIS AcetilCoA tiolasa AcetoacetilCoA HMG-COA sintasa CoA AcetilCoA 3-Hidroximetil glutamilCoA Tejido Extrahepático HMG-COA liasa Acetoacetato NAD+ XX NADH+H deshidrogenasa tóxico Acetona 3-Hidroxibutirato Cerebro (ATP)

Las enzimas responsables de la formación de cuerpos cetónicos están asociadas a las mitocondrias. Originalmente se creía que sólo una molécula de acetoacetato se formaba a partir de los 4 carbonos terminales de un ácido graso después de oxidación. Más tarde, para explicar tanto la producción de más de un equivalente de acetoacetato a partir de un ácido graso de cadena larga como la formación de cuerpos cetónicos a partir del acido acetico se propuso que las unidades C2 formadas en la @- oxidación se condensaban entre sí para formar acetoacetato. Esto puede ocurrir por una inversión de la reacción de la tiolasa donde 2 moléculas de acetil-CoA se condensan para formar acetoacetil-CoA. Así, la acetoacetil-CoA, que es el material inicial para la cetogénesis, se origina ya sea directamente durante el curso de la ß-oxidación o como resultado de la condensación de la acetil-CoA.

Trabajo Práctico Nº2-Titular: Stella Maris Batalla- Adjunta: Ma. Fátima Silva- JTP: Estefania Rinaldini, Joselina Mondaca, Evelyn Córdoba 3 H2OCátedra de Química Biológica Guía de Trabajos Prácticos

AGL ATP CoA ACIL-CoA SINTETABA ESTERIFICACION ACIL-COA FOSFOLIPIDO TRIACILGLICEROL (ACETIL- CoAln BOXIDACION LAH,3-HIDROXI BUTIRIL-COA NAD" LI+1-3-HIDROXIACIL-COA DESHIDROGENASA NAD +H 4 DEACILASA HO COA HIMG-COA SINTASA ACETOACETIL-COA + COA TIOLASA HO 3-HIDROXI3-METIL- GLUTARIL-COA (HMG-COA) CoA HMG-COA LIASA ACETIL-COA ACETOACETATO CICLO TDEL ACIDO CITRICO WY NADH + H* DH-3-HIDROXIBUTIRATO DESHIDROGENASA NAD DI 1-3-HIDROXIBUTIRATO

Vía de la Cetogénesis en el Hígado

Vía de la Cetogénesis en el Hígado (AGL: Ácidos Grasos Libres; HGM: 3-hidroxi-3- metilglutaril)

Se han propuesto dos vías para la formación del acetoacetato a partir de la acetoacetil-CoA: La primera es por simple desacilación, catalizada por la enzima acetoacetil-CoA desacilasa. La segunda vía implica la condensación de acetoacetil-CoA con otra molécula de acetil-CoA para formar 3-hidroxi-3-metilglutaril-CoA (HMG-COA), catalizada por la 3-hroxi-3-metilglutaril-CoA sintasa. La presencia de otra enzima en las mitocondrias, la 3-hidroxi-3metilglutaril-CoA liasa causa que la acetil-CoA se separe de la 3-hidroxi-3-metilglutaril-CoA, dejando acetoacetato libre. Los átomos de carbono separados de la molécula de acetil-CoA se derivan de la molécula de acetoacetil-CoA original. Deben estar presente ambas enzimas en las mitocondrias para que se lleve a cabo la cetogénesis. Esto ocurre casi exclusivamente en el epitelio del rumen y en el hígado.

Formación de Acetoacetato a Través de HGM-COA

La opinión actual, favorece a la vía de la HMG-COA como la ruta principal de formación de cuerpos cetónicos. Aunque hay un aumento marcado de la actividad de la enzima HMG-COA liasa en el ayuno, la evidencia no sugiere que esta enzima sea limitante de la velocidad de la cetogénesis. El acetoacetato puede ser convertido en D (-) 3-hidroxibutirato por la acción de la enzima D (-) 3- hidroxibutirato deshidrogenasa, la cual se encuentra en muchos tejidos, incluyendo el hepático. El D (-) 3-hidroxibutirato es, cuantitativamente, el cuerpo cetónico predominante que se encuentra en la sangre y orina en la cetosis.

Trabajo Práctico Nº2-Titular: Stella Maris Batalla- Adjunta: Ma. Fátima Silva- JTP: Estefania Rinaldini, Joselina Mondaca, Evelyn Córdoba 4 DEPOSITO DE ACETIL-COA