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.

Esquema da oxidación dos ácidos graxos. Na beta-oxidación orixínase acetil-CoA e coencimas reducidos, que despois entran na respiración celular.

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 dun ácido graxo e traslocación do acil-CoA resultante pola carnitina
Vermello: acil-CoA, verde: carnitina, Vermello+verde: acilcarnitina, CoASH: coencima A, CPTI: carnitina palmitoiltransferase I, CPTII: carnitina palmitoiltransferase II, 1: acil-CoA sintetase, 2: translocase, A: membrana mitocondrial extena, B: espazo intermembrana, C: membrana mitocondrial intena, D: matriz mitocondrial.

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:

1. 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).
2. 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 .
3. 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:

1. 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.
2. O primeiro paso da oxidación no peroxisoma está catalizado pola encima acil-CoA oxidase.
3. 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 FADH₂ que 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

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.

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