La biosíntesis de ácidos grasos es una vía bioquímica para la síntesis de ácidos grasos por parte de la célula a partir de los precursores de acetil-CoA y NADPH por la acción de enzimas llamadas ácidos grasos sintasa . Este proceso tiene lugar en el citoplasma de la célula . La mayor parte del acetil-CoA que se convierte en ácidos grasos se obtiene de los carbohidratos durante la glucólisis . El glicerol también se forma en la vía glucolítica, en la que se pueden combinar tres residuos de ácidos grasos (a través de enlaces éster ) para formar triglicéridos (también conocidos como "triacilgliceroles" o simplemente "grasa", llamados así para distinguirlos de los "ácidos grasos"). , el producto final del proceso de lipogénesis . Si solo dos residuos de ácidos grasos se combinan con glicerol y el tercer grupo de alcohol se fosforila, por ejemplo, mediante fosfatidilcolina , se forman fosfolípidos . Los fosfolípidos forman bicapas lipídicas que constituyen la mayor parte de las membranas celulares y las membranas de los orgánulos intracelulares (p. ej. , núcleo celular , mitocondrias , retículo endoplásmico , aparato de Golgi , etc.)
Hay dos tipos de ácidos grasos no ramificados: saturados e insaturados.
Similar a la β-oxidación , la síntesis de ácidos grasos de cadena lineal ocurre usando las seis reacciones iterativas que se muestran a continuación hasta que se forma ácido palmítico C16 [1] [2] . Después de siete ciclos de condensación-reducción, se forma palmitato que, bajo la acción de la tioesterasa, se escinde de la proteína transportadora de acilo y abandona el ciclo.
La reacción total se puede escribir como:
8 Acetil-CoA + 7 ATP + 14 NADPH + 14 H + → palmitato + 8 CoA + 7 ADP + 7 P n + 14 NADP + + 6 H 2 OLos diagramas presentados muestran cómo ocurre la biosíntesis de ácidos grasos en microorganismos y una lista de enzimas que se encuentran en Escherichia coli [1] . Estas reacciones las lleva a cabo la sintasa de ácidos grasos II (FAS II), que suele ser un complejo multienzimático . FAS II se encuentra en procariotas , plantas, organismos parásitos y también en mitocondrias de vertebrados [3] . Los intermedios de biosíntesis pueden participar en otras reacciones del metabolismo celular, por ejemplo, en la síntesis de ácido lipoico. A diferencia de FAS I, FAS II forma ácidos grasos ramificados insaturados e hidroxiácidos.
En animales, así como en algunos hongos como la levadura, las mismas reacciones son catalizadas por la sintasa de ácidos grasos I (FAS I), una proteína grande de dos subunidades que tiene todas las actividades enzimáticas requeridas para la síntesis de ácidos grasos. En la síntesis de ácidos grasos, la formación de un solo producto ocurre sin la liberación de productos intermedios. Los productos intermedios están unidos covalentemente por un enlace tioéter al complejo enzimático hasta la etapa final. FAS I es menos efectivo que FAS II; sin embargo, permite la formación de más moléculas, incluidos los ácidos grasos de "cadena media", al terminar la extensión de la cadena en una etapa temprana de la síntesis [3] .
Después de la formación del ácido graso - palmítico (16:0), se producen varias de sus modificaciones, que conducen a la desaturación y/o elongación. La elongación, a partir del estearato (18:0), se lleva a cabo principalmente en el retículo endoplásmico con la ayuda de enzimas unidas a la membrana. Las reacciones enzimáticas durante el proceso de elongación son generalmente las mismas que las de FAS, pero los cuatro pasos principales de elongación secuencial los realizan proteínas individuales que pueden estar físicamente unidas entre sí [4] [5] .
| Escenario | Enzima | Reacción | Descripción |
|---|---|---|---|
| (a) | Acetil-CoA: proteína transacilasa transportadora de acilo | Activación de acetil-CoA para reaccionar con malonil-ACP | |
| (b) | Malonil-CoA: proteína transacetilasa transportadora de acilo | Activación de malonil-CoA para reaccionar con acetil-ACP | |
| (C) | 3-cetoacil-acil-proteína sintasa de transporte | Reacción de un grupo acilo unido a ACP con malonil-ACP extensor de cadena | |
| (d) | Proteína reductasa portadora de 3-cetoacil-acil | Restaura el grupo ceto del tercer átomo de carbono a un grupo hidroxilo | |
| (mi) | Proteína deshidratasa portadora de 3-hidroxiacil-acilo | Eliminación de agua | |
| (F) | Proteína reductasa de transferencia de enoil acilo | Restauración del doble enlace entre átomos C2-C3. | |
| Designaciones: ACP - Proteína transportadora de acilo , CoA - Coenzima A , NADP - Nicotinamida adenina dinucleótido fosfato . | |||
Tenga en cuenta que el NADPH es el agente reductor durante la síntesis de ácidos grasos , mientras que el NAD es el agente oxidante en las reacciones de oxidación beta (la descomposición de los ácidos grasos en acetil-CoA). Esta diferencia ilustra el principio general de que el NADPH se consume durante las reacciones biosintéticas, mientras que el NADH se genera en las reacciones de oxidación que liberan energía. [6] . De manera similar, se requiere NADPH para la síntesis de colesterol a partir de acetil-CoA; mientras que el NADH se forma durante la oxidación de la glucosa ). Hay dos fuentes principales de NADPH. La primera es cuando el malato se descarboxila oxidativamente por la " enzima málica dependiente de NADP + " para formar piruvato , CO2 y NADPH . NADPH también se forma en la vía de las pentosas fosfato que convierte la glucosa en ribosa, que se puede utilizar en la síntesis de nucleótidos y ácidos nucleicos , o se puede catabolizar en piruvato [6] .
En humanos, los ácidos grasos se forman a partir de carbohidratos predominantemente en el hígado y el tejido adiposo , así como en las glándulas mamarias durante la lactancia.
El piruvato, formado durante la glucólisis, es un intermediario importante en la conversión de carbohidratos en ácidos grasos y colesterol [6] . La etapa inicial de la conversión de piruvato en acetil-CoA tiene lugar en las mitocondrias. Sin embargo, esta acetil-CoA necesita ser transportada al citosol, donde tienen lugar las reacciones de síntesis de ácidos grasos y colesterol. Esto no puede suceder directamente, ya que la membrana mitocondrial interna es impermeable a la acetil-CoA. Para el transporte al citosol, la acetil-CoA reacciona con el oxalacetato para formar citrato. El citrato producido de esta manera en el ciclo de Krebs abandona el ciclo y es transportado por un portador de membrana a través de la membrana mitocondrial hacia el citosol [6] . Allí es escindido por ATP-citrato liasaa acetil-CoA y oxaloacetato. El oxaloacetato se puede utilizar para la gluconeogénesis (en el hígado) o se puede devolver a la mitocondria como malato [7] . La acetil-CoA citosólica es carboxilada por la acetil-CoA carboxilasa a malonil-CoA , el primer paso crítico en la biosíntesis de ácidos grasos [7] [8] .
La principal fuente de energía y sustancia de reserva en los animales es la grasa. La grasa en un adulto joven tiene un promedio de 15 a 20 kg, pero depende en gran medida de la edad. Género y características individuales [9] . En contraste, el cuerpo humano almacena solo alrededor de 400 g de glucógeno , de los cuales 300 g se almacenan dentro de los músculos esqueléticos y no están disponibles para el cuerpo como un todo. Los aproximadamente 100 g restantes de glucógeno almacenados en el hígado se agotan durante un día de ayuno [10] . Después de eso, la glucosa, que ha ingresado a la sangre desde el hígado para uso general de los tejidos del cuerpo, debe sintetizarse a partir de aminoácidos glucogénicos y algunos otros sustratos glucogénicos , que no incluyen ácidos grasos [11] .
La descomposición de los ácidos grasos en acetil-CoA durante la beta-oxidación ocurre dentro de las mitocondrias, mientras que su síntesis a partir de acetil-CoA ocurre en el citosol. Estas dos rutas difieren no solo en el lugar de su localización, sino también en las reacciones que tienen lugar y los sustratos y coenzimas utilizados. Estas dos vías se inhiben mutuamente, impidiendo que la acetil-CoA generada por la beta-oxidación entre en la vía de síntesis a través de la reacción llevada a cabo por la acetil-CoA carboxilasa [11] . Tampoco se puede convertir en piruvato , ya que la reacción de descarboxilación del piruvato es irreversible [10] . En cambio, se condensa con oxaloacetato para formar citrato, para entrar en el ciclo del ácido tricarboxílico . Con cada vuelta del ciclo, dos átomos de carbono abandonan el ciclo como CO 2 en reacciones de descarboxilación catalizadas por isocitrato deshidrogenasa y alfa-cetoglutarato deshidrogenasa . Por lo tanto, cada vuelta del ciclo del ácido cítrico oxida la unidad de acetil-CoA mientras que simultáneamente regenera la molécula de oxalacetato con la que el acetil-CoA se combinó 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 es capaz de salir de la mitocondria para entrar en la vía de la gluconeogénesis con la formación de glucosa o glucógeno en el hígado o en cualquier otro tejido [11] . Por lo tanto, no puede haber conversión de ácidos grasos a glucosa.
Solo las plantas poseen las enzimas para convertir acetil-CoA en oxaloacetato a partir del cual se puede formar malato, que finalmente se convierte en glucosa [11] .
Regulación
La acetil-CoA se convierte en malonil-CoA mediante la acetil-CoA carboxilasa , desde cuyo punto la malonil-CoA se destina a su inclusión en la ruta de síntesis de ácidos grasos. La acetil-CoA carboxilasa es el punto de regulación para la síntesis de ácidos grasos saturados de cadena lineal y está sujeta tanto a la fosforilación como a la regulación alostérica . La fosforilación ocurre principalmente en mamíferos, mientras que la regulación alostérica ocurre en otros organismos. El control alostérico se lleva a cabo mediante inhibición por retroalimentación de palmitoil-CoA y activación por citrato. A altos niveles de palmitoil-CoA, el producto final de la síntesis de ácidos grasos saturados, inactiva alostéricamente la acetil-CoA carboxilasa, lo que evita la acumulación de ácidos grasos en las células. El citrato actúa como un activador de la acetil-CoA carboxilasa en altas concentraciones porque los niveles altos indican que hay suficiente acetil-CoA para ingresar al ciclo del ácido cítrico y almacenar energía [12]
Un alto nivel de insulina en el plasma sanguíneo (por ejemplo, después de una comida) provoca la desfosforilación de la acetil-CoA carboxilasa, lo que contribuye a la formación de malonil-CoA a partir de acetil-CoA y, por lo tanto, a la conversión de carbohidratos en ácidos grasos. y la adrenalina y el glucagón (liberados a la sangre durante el ayuno y el ejercicio) provocan la fosforilación de esta enzima, inhibiendo la lipogénesis y estimulando la beta-oxidación de los ácidos grasos [6] [8] .
Muchas bacterias utilizan la vía anaeróbica para sintetizar ácidos grasos insaturados. Las reacciones en esta vía no usan oxígeno y usan enzimas que insertan un doble enlace antes de extender el esqueleto de carbono del ácido graso, de lo contrario usan el mecanismo normal de síntesis de ácidos grasos. En Escherichia coli , esta vía es bien conocida.
La mayoría de las bacterias que llevan a cabo reacciones de desaturación anaerobia contienen homólogos FabA y FabB [15] . Los clostridios son la principal excepción. Tienen una nueva enzima que cataliza la formación de un doble enlace cis, que aún no se ha identificado [14] .
ReglamentoEsta vía está sujeta a la regulación transcripcional de FadRy FabR. FadR es una proteína más estudiada, a la que se le atribuyen dos funciones a la vez. Actúa como activador transcripcional de fabA y fabB y como represor de regulón .y responsable de la β-oxidación. Por el contrario, FabR actúa como un represor transcripcional de fabA y fabB [13] .
Desaturación aeróbicaLa desaturación aeróbica es la vía más común para la síntesis de ácidos grasos insaturados. Es utilizado por todos los eucariotas y algunos procariotas. Las desaturasas se utilizan en reacciones para la síntesis de ácidos grasos insaturados a partir de ácidos grasos saturados completos en esta vía .[16] . Todas las desaturasas requieren oxígeno y finalmente consumen NADH, aunque la desaturación es un proceso oxidativo. Las desaturasas introducen específicamente un doble enlace en un lugar específico del sustrato. En Bacillus subtilis , una desaturasa, Δ 5 -Des, es específica para insertar un enlace doble cis en la posición Δ 5 [7] [16] . Saccharomyces cerevisiae contiene una desaturasa, Ole1p, que introduce un doble enlace cis en Δ 9 . [7] .
ReglamentoEn B. subtilis , esta vía está regulada por un sistema de dos componentes : la quinasa unida a la membrana DesK y el regulador transcripcional DesR responsable de la expresión del gen des [7] [16] . La expresión depende de la temperatura. Cuando baja la temperatura, este gen se activa. Los ácidos grasos insaturados aumentan la fluidez de la membrana y la estabilizan a temperaturas más bajas. DesK es una proteína sensora que se autofosforila cuando baja la temperatura. DesK-P luego transfiere el grupo fosforilo a DesR. Dos moléculas de la proteína DesR-P se dimerizan y se unen a los promotores de ADN del gen des y promueven la unión de la ARN polimerasa para iniciar la transcripción [7] [16] .
Como regla, la síntesis anaeróbica y aeróbica de ácidos grasos insaturados no ocurre simultáneamente en el mismo organismo, sin embargo, Pseudomonas aeruginosa y Vibrio ABE-1 sirven como excepciones a la regla [17] [18] [19] . Aunque P. aeruginosa utiliza principalmente reacciones de desaturación anaeróbica, también tiene dos vías aeróbicas. Una vía utiliza Δ 9 -desaturasa (DesA) que cataliza la formación de un doble enlace en los lípidos de la membrana. Otra vía usa dos proteínas, DesC y DesB, que juntas actúan como una Δ 9 -desaturasa que inserta un doble enlace en un residuo ácido saturado en la molécula de acil-CoA. Esta segunda vía está regulada por la proteína represora DesT. DesT también regula a la baja la expresión de fabAB durante la desaturación anaeróbica en presencia de ácidos grasos insaturados exógenos. Esta función asegura la coordinación de la expresión de dos vías en la célula [18] [20] . 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 desaturasa ). Estas enzimas permiten que el oxígeno molecular, O 2 , interactúe con un residuo de ácido graso saturado en la molécula de acil-CoA para formar un doble enlace y dos moléculas de agua, H 2 O. NADH + H + suministra dos electrones y dos se toman del enlace simple de la cadena grasa ácidos [6] . Sin embargo, las desaturasas de los mamíferos no pueden crear dobles enlaces en los carbonos más allá de C9 en la cadena de ácidos grasos [nota 1] ). Por lo tanto, los mamíferos no pueden sintetizar ni linoleato ni linolenato (que tiene un doble enlace en la posición C-12 (= ∆ 12 ) , o C-12 y C-15 (= Δ 12 y Δ 15 ), respectivamente, así como en la posición Δ 9 ), ni ácido araquidónico poliinsaturado de 20 carbonos , un derivado del linoleato. Todos ellos se denominan ácidos grasos esenciales , lo que significa que el organismo los necesita, pero solo pueden provenir de los alimentos. El ácido araquidónico es un precursor de las prostaglandinas , que tienen una amplia gama de funciones como hormonas locales .[6] .
Ácidos grasos de cadena impar(OCFAs) son aquellos ácidos grasos que contienen un número impar de átomos de carbono en su molécula. Los OCFA más comunes son los derivados saturados de C15 y C17, respectivamente, ácido pentadecanoico y ácido margárico [21] . La síntesis de ácidos grasos de cadena par se lleva a cabo ensamblando a partir de unidades de dos carbonos de acetil-CoA. Cuando se utiliza como cebador para la biosíntesis de propionil-CoAen lugar de acetil-CoA, se obtienen ácidos grasos de cadena larga con un número impar de átomos de carbono [22] .
Los ácidos grasos de cadena ramificada son generalmente saturados y se clasifican en dos familias distintas: las familias iso y anteiso. Se ha descubierto que los actinomycetales tienen mecanismos únicos para sintetizar ácidos grasos de cadena ramificada, incluidos los que forman ácidos micólicos .
El uso de un α-cetoácido como semilla contrasta con las vías para la síntesis de ácidos grasos ramificados, donde la sintetasa usa ésteres de acetil-CoA de cadena corta como semilla [23] . Los cebadores de α-cetoácidos se derivan de la transaminación y descarboxilación de valina , leucina e isoleucina en 2-metilpropanil-CoA, 3-metilbutiril-CoA y 2-metilbutiril-CoA, respectivamente [24] . El cebador 2-metilpropanil-CoA formado a partir de valina tras la extensión da lugar a ácidos grasos de la serie iso con un número par de átomos de carbono, como el ácido 14-metil-pentadecanoico (isopalmítico). El cebador 3-metilbutiril-CoA de la leucina se puede utilizar para generar isoácidos impares como el ácido 13-metiltetradecanoico. La extensión de la semilla de 2-metilbutiril-CoA de la isoleucina produce ácidos grasos de la serie anteiso con un número impar de átomos de carbono, como el ácido 12-metiltetradecanoico [25] . La descarboxilación de los precursores de los cebadores está mediada por la enzima de descarboxilización de los α-cetoácidos de cadena ramificada .(BCAA). La elongación del esqueleto de ácidos grasos en Escherichia coli ocurre de la misma manera que en la síntesis de ácidos grasos de cadena lineal, cuando se usa malonil-CoA como enlace inicial en la biosíntesis [26] . Los principales productos finales son ácidos grasos de cadena ramificada, que constan de 12 a 17 átomos de carbono, y su composición es constante y característica de muchas especies bacterianas [25] .
Descarboxilisis de α-cetoácidos de cadena ramificada (BCKA) y su especificidad de sustrato para α-cetoácidos
La enzima BCKA descarboxilasa consta de dos subunidades que forman un tetrámero (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 producidos por la desaminación de la valina, la leucina y la isoleucina y produce moléculas semilla utilizadas para la síntesis de ácidos grasos de cadena ramificada. La actividad de esta enzima es mucho mayor hacia sustratos de α-cetoácidos de cadena ramificada que de cadena lineal, y en especies de Bacillus , la mayor especificidad se logra hacia el derivado de isoleucina ácido α-ceto-β-metilvalérico, seguido por α-cetoisocaproato .y α-cetoisovalerato [25] [26] . La alta afinidad de la enzima por los α-cetoácidos de cadena ramificada le permite funcionar como un proveedor de moléculas semilla para la síntesis de ácidos grasos de cadena ramificada [26] .
| sustrato | Actividad BCKA descarboxilasa | CO2 emitido ( nmol/min mg) | km (μM) | Vmáx (nmol/min mg) |
|---|---|---|---|---|
| L-α-ceto-β-metil-valeriato | 100 % | 19.7 | <1 | 17.8 |
| α-cetoisovalerato | 63% | 12.4 | <1 | 13.3 |
| α-cetoisocaproato | 38% | 7.4 | <1 | 5.6 |
| piruvato | 25% | 4.9 | 51.1 | 15.2 |
Factores que afectan la longitud de la cadena y la ramificación
Los cebadores de α-cetoácidos se utilizan para la biosíntesis de ácidos grasos de cadena ramificada, que suelen tener de 12 a 17 átomos de carbono. La proporción de ácidos de cadena ramificada es constante y específica de la especie, pero puede cambiar con los cambios en la concentración de malonil-CoA, la temperatura o la presencia de factores de estabilidad térmica (HSF) [25] . Todos estos factores pueden afectar la longitud de la cadena, y se ha demostrado que los HSF alteran la especificidad de la descarboxilasa BCKA para ciertos α-cetoácidos, alterando así la proporción de ácidos grasos de cadena ramificada producidos [25] . Se ha demostrado que al aumentar la concentración de malonil-CoA se incrementa la producción de ácidos grasos C17, hasta alcanzar la concentración óptima (≈20μM) de malonil-CoA. Bajar la temperatura también cambia ligeramente la proporción de ácidos grasos hacia los ácidos C17 en las especies de Bacillus [23] [25] .
Sistema de síntesis de ácidos grasos de cadena ramificada utilizando ésteres de KoAEste sistema funciona de manera similar al sistema de síntesis de BCFA que utiliza alfa-cetoácidos como semillas, sin embargo, utiliza ésteres de ácido carboxílico de cadena corta con CoA como semillas. Esta vía es utilizada por bacterias incapaces de utilizar alfa-cetoácidos. Los cebadores típicos son isovalerato, isobutirato y 2-metil-butirato. Por lo general, los ácidos necesarios para estas semillas provienen del medio ambiente; esto se encuentra a menudo en las bacterias que viven en el rumen [27] .
reacción total:
Isobutiril-CoA + 6 malonil-CoA + 12 NADPH + 12H + → Ácido isopalmitico + 6 CO 2 + 12 NADP + 5 H 2 O + 7 CoA [23]La diferencia entre las sintasas de ácidos grasos de cadena lineal y ramificada radica en la especificidad de sustrato de la enzima que cataliza la reacción de acil-CoA con acil-ACP [23] .
Los ácidos grasos omega-alicíclicos suelen contener un grupo cíclico propilo o butirilo omega-terminal y se encuentran entre los principales ácidos grasos de membrana que se encuentran en varias especies bacterianas. La sintetasa de ácidos grasos utilizada para producir ácidos grasos alicíclicos omega también se utiliza para producir ácidos grasos de membrana de cadena ramificada. Las bacterias con membranas compuestas principalmente de ácidos grasos alicíclicos omega tienen muchos más ésteres de ácidos carboxílicos cíclicos y CoA que los cebadores de cadena ramificada [23] . 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 ácido ciclohexilcarboxílico con CoA, que sirven como cebadores para la síntesis de grasas omega-alicíclicas. ácidos [27] .
El ácido tuberculosteárico (ácido 10-metilesteárico) es un ácido graso saturado producido por Mycobacterium spp. y dos especies de Streptomyces . Se forma a partir de un precursor, el ácido oleico (un ácido graso monoinsaturado [28] . Después de la esterificación del ácido oleico a un fosfolípido, la S-adenosil-metionina sirve como donante del grupo metilo para el doble enlace del ácido oleico [29] . Esta reacción de metilación forma el compuesto intermedio 10-metileno-Octadecanoal La reducción secuencial de su NADPH como coenzima conduce al ácido 10-metilesteárico [24]
Así, las posiciones de los dobles enlaces en la cadena de ácidos grasos se pueden indicar de dos formas, utilizando la notación Cn o ω-n. Por lo tanto, en un ácido graso de 18 carbonos, el 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 (solo el " principio". doble enlace), o como ω-6 (u omega-6) cuando se cuenta desde el extremo -CH 3 . "Δ" es la letra griega "delta", que se traduce como "D" (doble enlace inglés , doble enlace) en el alfabeto latino. Omega (ω) es la última letra del alfabeto griego y, por lo tanto, se usa para referirse al "último" átomo de carbono en el esqueleto de carbono de un ácido graso. Debido a que la notación ω-n se usa casi exclusivamente para indicar la posición de los dobles enlaces cerca del extremo -CH 3 en los ácidos grasos esenciales , no hay necesidad de una nomenclatura similar a "Δ" equivalente.