Beta-oxidación dos ácidos graxos

A β-oxidación ou beta oxidación é un proceso catabólico dos ácidos graxos no cal estes perden sucesivamente grupos de dous carbonos nun proceso cíclico, no que o ácido graxo se descompón totalmente en forma de moléculas de acetil-CoA, e na que se producen coencimas reducidos (NADH, FADH₂). O acetil-CoA e os coencimas serán oxidados na respiración celular mitocondrial e orixinarán a formación dunha gran cantidade de enerxía en forma de ATP. Deste modo os ácidos graxos achegan gran parte da enerxía que necesita a célula. Nos animais a β-oxidación ten lugar nas mitocondrias, fundamentalmente do fígado, aínda que os ácidos graxos de cadea moi longa son oxidados nos peroxisomas. Nas plantas ten lugar nos glioxisomas.

A β-oxidación dos ácidos graxos consta de catro reaccións que se repiten ciclicamente. Antes de que os ácidos graxos entren na β-oxidación deben activarse uníndose ao coencima A e atravesar a membrana mitocondrial interna, xa que proceden do citosol. Despois de acabada a β-oxidación, os seus produtos finais entran na respiración celular, onde son completamente oxidados.

Por tanto, podemos resumir a oxidación dos ácidos graxos nestes 4 procesos:

Activación dos ácidos graxos.
Transporte ás mitocondrias.
β-oxidación.
Oxidación na respiración celular dos produtos da β-oxidación.

Activación e traslocación dos ácidos graxos

Activación previa dos ácidos graxos

Antes de que comece a β-oxidación deben activarse os ácidos graxos uníndose ao coencima A (CoASH), formando acil-coencima A (acil-CoA, R–CO–SCoA), concretamente acilo graxo-CoA, o cal ten lugar no retículo endoplasmático ou na membrana mitocondrial externa, onde se atopa o encima que cataliza a reacción, a acil-CoA sintetase (ou ácido graxo tioquinase):^[1]

R–COOH + ATP + CoASH →Acil-CoA sintetase→ R–CO–SCoA + AMP + PP_i + H₂O

Para establecer o enlace tioéster entre o ácido graxo e o coencima A deben consumirse dous enlaces de alta enerxía do ATP en forma de pirofosfato (PPi), que despois orixina 2 Pi, polo que neste paso previo hai un consumo de enerxía.

Traslocación á matriz mitocondrial

Os ácidos graxos atópanse no citosol, onde se realiza a síntese de ácidos graxos. Como a beta-oxidación ten lugar nos animais nas mitocondrias, deben chegar ás mitocondrias, pero a membrana mitocondrial é impermeable a eles (e aos acil-CoA) deben usar un transportador. Os acil-CoA formados no paso anterior usan o transportador da carnitina da membrana mitocondrial para pasar ao interior da mitocondria (matriz).

O mecanismo que usa a carnitina para facer a traslocación é o seguinte:

O encima carnitina palmitoiltransferase I (CPTI) da membrana mitocondrial externa elimina o coencima A da molécula de acil-CoA e, ao mesmo tempo, úneo á carnitina situada no espazo intermembrana, orixinando acilcarnitina; o coencima A queda libre no citosol para poder activar outro ácido graxo. Este encima é inhibido polo malonil-CoA, o cal aumenta cando hai moita glicosa, o que quere dicir que se a célula ten moita glicosa, non oxida os ácidos graxos (polo contrario, empezará a sintetizar triglicéridos).
Despois, unha proteína transportadora, chamada translocase, situada na membrana mitocondrial interna, transfire a acilcarnitina á matriz mitoncondrial e, paralelamente, a carnitina palmitoiltransferase II (CPTII) une unha molécula de coencima A da matriz ao ácido graxo que está entrando, polo que se rexenera dentro da mitocondria o acil-CoA .
A proteína transportadora devolve a carnitina ao espazo intermembrana e reacciona con outro acil-CoA, repetíndose o ciclo.

A carnitina é un derivado aminoacídico que reduce os niveis de triglicéridos e colesterol en sangue e participa nos pasos previos da beta-oxidación. Prodúcese naturalmente no fígado a partir dos aminoácidos L-metionina e a L-lisina.

β-oxidación

As catro reaccións das que consta a β-oxidación resúmense na seguinte táboa e despois serán tratadas con máis detalle. Estas catro reaccións conducen á liberación dunha molécula de acetil-CoA e de coencimas e ao acurtamento en dous átomos de carbono do ácido graxo. As catro reacción repítense ciclicamente (hélice de Lynen), de modo que o ácido graxo é cada vez máis pequeno, e o ciclo continúa ata que o ácido graxo estea completamente desfeito:

Descrición	Reacción	Encima	Produto final
Oxidación por FAD O primeiro paso é a oxidación do ácido graxo pola acil-CoA deshidroxenase. O encima cataliza a formación dun dobre enlace entre C-2 (carbono α) e C-3 (carbono β).		acil-CoA deshidroxenase	trans-Δ²-enoíl-CoA
Hidratación O seguinte paso é a hidratación do enlace entre C-2 e C-3. Esta reacción é estereospecífica, formando só o isómero L.		enoíl-CoA hidratase	L-3-hidroxiacil-CoA
Oxidación por NAD⁺ O terceiro paso é a oxidación do L-3-hidroxiacil-CoA polo NAD⁺, o que converte o grupo hidroxilo (–OH) nun grupo cetona (=O).		L-3-hidroxiacil-CoA deshidroxenase	3-cetoacil-CoA
Tiólise O paso final é a separación do acetil-CoA do 3-cetoacil-CoA por acción do grupo tiol doutra molécula de CoA. O novo tiol establécese entre C-2 e C-3.		β-cetotiolase	Unha molécula de acetil-CoA e unha de acil-CoA con dous carbonos menos.

Oxidación por FAD (deshidroxenación)

O primeiro paso é a oxidación do ácido graxo activado (acil-CoA) por FAD. O encima acil-CoA-deshidroxenase, unha flavoproteína que ten o coencima FAD unido covalentemente como un grupo prostético, cataliza a formación dun dobre enlace entre os carbonos 2 e 3 (carbonos α e β). Como o carbono 3 é o carbono β, que é o que finalmente se oxidará, a isto débese o nome β-oxidación. Os produtos finais son FADH₂ e un acil-CoA-β-insaturado (trans-Δ²-enoíl-CoA), xa que o carbono β do ácido graxo se une cun dobre enlace ao perder dous hidróxenos (que son captados polo FAD). Este ácido graxo trans é unha excepción no conxunto de ácidos graxos insaturados da célula, que son cis. O FADH₂ formado pode ceder os seus electróns ao coencima Q da cadea respiratoria a través da flavoproteína transferidora de electróns (EFTP) para producir ATP.

Hidratación

O seguinte paso é a hidratación (adición dunha molécula de auga) do dobre enlace trans entre C-2 e C-3. Esta reacción é catalizada pola enoíl-CoA hidratase e obtense un betahidroxiacil-CoA (L-3-hidroxiacil-CoA); é unha reacción estereospecífica, formándose exclusivamente o isómero L. Nesta fase houbo que consumir unha molécula de auga para facer a hidratación e facer desaparecer o dobre enlace.

Oxidación por NAD⁺ (deshidroxenación)

O terceiro paso é a oxidación do L-3-hidroxiacil-CoA polo NAD⁺, catalizada pola L-3-hidroxiacil-CoA deshidroxenase, que ten especificidade absoluta polo isómero L. Isto converte o grupo hidroxilo do carbono β nun grupo cetona (satúrao). O produto final é o 3-cetoacil-CoA de maneira que o carbono β xa foi oxidado e está preparado para a escisión. O NADH orixinado pode ceder os seus electróns ao primeiro transportador da cadea respiratoria da membrana mitocondrial interna para producir ATP.

Tiólise (separación do grupo de dous carbonos)

O paso final para a rotura do cetoacil-CoA entre C-2 e C-3 polo grupo tiol doutra molécula de CoA, polo que se denomina tiólise. Esta reacción é catalizada pola β-cetotiolase e dá lugar a unha molécula de acetil-CoA e un acil-CoA con dous carbonos menos.

Estas catro reaccións continúan ata que se produza a escisión completa da molécula en unidades de acetil-CoA. En cada ciclo, fórmase unha molécula de FADH₂, unha de NADH e unha de acetil-CoA. Isto supón unha visión do ciclo como unha espiral xa que repiten os mesmos pasos pero coas substancias procedentes do ciclo anterior, que recibe o nome de hélice de Lynen. Para un ácido palmítico (16 C) a reacción global será:

palmitoíl-CoA + 7 CoaSH + 7 FAD + 7 NAD⁺ + 7 H₂O → 8 acetil-CoA + 7 FADH₂ + 7 NADH + 7 H⁺

Posteriormente, o acetil-CoA e os coencimas entrarán na respiración celular para producir enerxía, co que a oxidación total do ácido graxo estará completa.

Ácidos graxos de número impar de carbonos

A gran maioría dos ácidos graxos dos tecidos animais teñen un número par de átomos de carbono e degrádanse en grupos de dous carbonos por medio da β-oxidación que acabamos de ver. Os ácidos graxos de número impar de carbonos son moito máis escasos, pero seguen as mesmas vías da β-oxidación, é dicir, ciclos de deshidroxenación, hidratación, deshidroxenación e tiólise. Porén, como son impares, no último paso do ciclo, fórmase unha molécula de 3 carbonos de propionil-CoA. Este composto é potencialmente gliconeoxénico, a diferenza dos acetil-CoA, que ao entrar no ciclo dos ácidos tricarboxílicos é completamente oxidado a dúas moléculas de dióxido de carbono e non pode servir para a gliconeoxénese.

Os ruminantes son os únicos que teñen moitos ácidos graxos de número impar de carbonos debido á súa peculiar dixestión baseada en fermentacións bacterianas^[2].

Ácidos graxos insaturados

A maior parte dos ácidos graxos dos triglicéridos das graxas animais son insaturados (teñen un ou varios dobres enlaces). A β-oxidación dos ácidos graxos insaturados presenta un problema importante, porque a localización do dobre enlace cis que teñen estes ácidos graxos pode impedir a formación do enlace trans-Δ² que se orixna na primeira reacción da β-oxidación, xa que os enlaces dobres non son un substrato axeitado para os encimas da β-oxidación. A β-oxidación funciona normalmente ata que o ácido graxo se vai acurtando e se chega á posición onde está o dobre enlace cis, onde se presentará o problema. Este problema soluciónase coa participación de dous encimas adicionais:

Se o acil-CoA contén un enlace dobre cis-Δ³ (no carbono 3 do ácido graxo, acurtado, que queda), entón o encima cis-Δ³-enoíl-CoA isomerase converte o enlace en trans-Δ², o cal xa é un substrato que poden procesar normalmente os encimas da β-oxidación.
Se o acil-CoA contén un enlace dobre cis-Δ⁴ (no carbono 4 do ácido graxo, acurtado, que queda), entón a súa deshidroxenación orixina un intermediato 2,4-dienoíl, o cal non é un substrato axeitado para a enoíl-CoA hidratase. Porén, outro encima, o 2,4 dienoíl-CoA redutase, pode reducir este intermediato, utilizando NADPH, a trans-Δ³-enoíl-CoA. Como no caso superior, este último composto convértese nun intermediato apropiado para a β-oxidación por acción da 3,2-enoíl-CoA isomerase.

En resumo:

Os enlaces dobre en posición impar son procesados pola isomerase.
Os enlaces dobre en posición par son procesados pola redutase (que crea enlaces dobres impares).

β-oxidación nos peroxisomas

Nos animais a β-oxidación dos ácidos graxos é un proceso principalmente mitocondrial, pero pode producirse tamén nos peroxisomas, orgánulos nos que se oxidan os ácidos graxos de cadea moi longa. Porén, a oxidación destes grandes ácidos graxos nos peroxisomas remata cando se chega ao octanil CoA; despois deben saír do orgánulo. Pénsase que os ácidos graxos de cadea moi longa (maior5 de 22 carbonos) sofren unha oxidación iniical nos peroxisomas e despois esta debe continuar nas mitocondrias.

Unha diferenza significativa é que a β-oxidación nos peroxisomas non está combinada coa síntese de ATP coma nas mitocondrias. En lugar disto, os electróns de alto potencial son transferidos ao O₂, o que orixina a formación de H₂O₂. O encima catalase, que é exclusivamente peroxisómico, converte o peróxido de hidróxeno en auga e osíxeno. O acetil-CoA formado pasa ao citosol, onde será utilizado en biosínteses.

A β-oxidación peroxisómica tamén require encimas específicos do peroxisoma e para os ácidos graxos moi longos. Hai tres diferenzas clave entre os encimas usados para a β-oxidación peroxisómica e mitocondrial:

A β-oxidación nos peroxisomas require o uso da carnitina aciltransferase peroxisómica (en vez das carnitina aciltransferases I e II usadas nas mitocondrias) para o transporte dos grupos acilo activados ao peroxisoma.
O primeiro paso da oxidación no peroxisoma está catalizado pola encima acil-CoA oxidase.
A β-cetotiolase utilizada nos peroxisomas ten unha especificidade de substrato alterada, distinta da β-cetotiolase mitocondrial.

A β-oxidación nos peroxisomas está activada por dietas ricas en graxas e pola administración de fármacos hipolipidémicos como o clofibrato.

Nas plantas a β-oxidación ten lugar nos peroxisomas. Nun tipo de peroxisoma especial chamado glioxisoma a β-oxidación está combinada co ciclo do glioxilato, por medio do cal o acetil-CoA formado a partir dos ácidos graxos pode acabar servindo para formar azucres por gliconeoxénese. Nas sementes en xerminación que almacenan aceites a β-oxidación e o ciclo do glioxilato están moi activos.

Rendemento enerxético

A oxidación dos ácidos graxos ten lugar en dúas fases. A primeira é a produción de acetil-CoA e coencimas reducidos na β-oxidación e a segunda é a entrada deses produtos finais na respiración celular. Dado que durante a β-oxidación a cadea de carbonos dos ácidos graxos rompe en unidades de dous carbonos (unidas ao coencima A) e que cada rotura produce unha molécula de FADH₂ e unha molécula de NADH + H⁺, é fácil calcular as moléculas de ATP xeradas na oxidación completa dun ácido graxo. Os FADH₂ e NADH van á cadea respiratoria e os acetil-CoA ingresan no ciclo de Krebs onde xeran GTP e máis moléculas de NADH e FADH₂. Se tomamos como exemplo o ácido palmítico, ácido graxo saturado de 16 carbonos, o máis importante no metabolismo lipídico animal, o rendemento enerxético é o seguinte:

7 NADH que na cadea respiratoria xeran 2,5 ATP cada un ..... +17,5 ATP

7 FADH₂que na cadea respiratoria xeran 1,5 ATP cada un .... +10,5 ATP

8 acetil-CoA que entran no ciclo de Krebs e xeran 10 ATP ..... +80 ATP

2 ATP menos, gastados na activación previa do ácido graxo... - 2 ATP

Total ......................................................................................... 106 ATP

Se temos en conta os dous enlaces de alta enerxía que se utilizan na activación do ácido graxo a acil-CoA e que hai que restar, a partir dunha molécula de ácido palmítico obtense un rendemento neto de 106 moléculas de ATP. Canto máis longa sexa a molécula de ácido graxo, máis moléculas de ATP se xerarán.

Notas

↑ Devlin, T. M. 2004. Bioquímica, 4ª edición. Reverté, Barcelona. ISBN 84-291-7208-4
↑ Nelson, D. L. & Cox, M. M. (2005). Lehninger Principles of Biochemistry, 4th Edition. New YorkW. H. Freeman and Company, pp. 648-649. ISBN 0-7167-4339-6.

Véxase tamén

Ligazóns externas

The chemical logic behind fatty acid metabolism at ufp.pt
Animations Arquivado 08 de maio de 2012 en Wayback Machine. at brookscole.com

[Dev-1] Devlin, T. M. 2004. Bioquímica, 4ª edición. Reverté, Barcelona. ISBN 84-291-7208-4

[2] Nelson, D. L. & Cox, M. M. (2005). Lehninger Principles of Biochemistry, 4th Edition. New YorkW. H. Freeman and Company, pp. 648-649. ISBN 0-7167-4339-6.

[1]

[2]