Metabolismul lipidic

Cuprins Lipidele 4.1.1. Aspecte generale şi importanţă 4.1.2. Digestia, emulsificarea, degradarea lipidelor 4.1.3. Controlul digestiei lipidelor 4.1.4. Absorţia şi secreţia lipidelor la nivelul enterocitelor 4.1.5. Utilizarea lipidelor exogene în ţesuturi 4.2. Clasificarea lipidelor 4.3. Acizii graşi 4.3.1. Structură, saturare, lungimea catenei 4.3.2. Acizii graşi esenţiali 4.3.3. Sinteza de novo a acizilor graşi. Etape 4.3.4. Interrelaţia dintre metabolismul glucozei si sinteza palmitatului 4.3.5. Elongarea acizilor graşi

Aspecte generale şi importanţă Lipidele reprezintă un grup heterogen de molecule organice hidrofobe, cu structuri şi funcţii diferite Marea majoritate este reprezentată de acizi graşi (AG) şi glicerol; glicerofosfolipidele şi sfingolipidele; eicosanoizi; colesterol, săruri biliare şi hormoni steroizi; vitamine liposolubile.

Aspecte generale şi importanţă Au rol structural (colesterolul membranar), în semnalizare (ceramide), energetic (degradarea AG) şi specifice (vitaminele liposolubile) În plasmă, transportul lipidelor se face în asociere cu proteinele ca particule de lipoproteine (LP) sau legate de albumină.

Aspecte generale şi importanţă AG stocaţi ca triacilgliceroli (TAG) sunt o sursă de energie pentru organism Glicerofosfolipidele şi sfingolipidele care conţin AG esterificaţi se găsesc în membrane şi în lipoproteine, constituind o barieră hidrofobă care permite separarea conţinutului apos al celulei de structurile subcelulare AG polinesaturaţi cu 20 atomi de carbon formează eicosanoizii ce reglează numeroase procese celulare.

Aspecte generale şi importanţă Colesterolul măreşte stabilitatea dublului strat fosfolipidic al membranelor; Precursor al sărurilor biliare ce au rol în procesele de digestie şi absorţie a lipidelor; Precursor al hormonilor steroidieni cu multiple acţiuni incluzând reglarea metabolismului, creşterii şi reproducerii.

Aspecte generale şi importanţă Vitaminele liposolubile sunt lipide implicate în vedere, creştere, diferenţiere (vitamina A), coagulare (vitamina K), prevenirea stresului oxidativ celular (vitamina E), metabolismul calciului (vitamina D) Deficienţele sau dezechilibrele metabolismului lipidic favorizează apariţia aterosclerozei şi obezităţii.

Digestia lipidelor alimentare Aportul zilnic de lipide este de aproximativ 81 grame, din care un procent de peste 90% este reprezentat de TAG, restul fiind format din coelsterol (Col), esteri de colesterol (EC), fosfolipide (PE) şi acizi graşi „liberi” (AGL) sau neesterificaţi Digestia lipidelor începe în stomac şi este catalizată de lipaza linguală secretată de glandele de la baza limbii rezistentă la pH-ul gastric acid Ţintele principale ale acestei enzime sunt moleculele de TAG, în special cele care conţin AG cu mai puţin de 12 atomi de C (prezente în grăsimile din lapte) Degradarea aceloraşi molecule de TAG este realizată şi de o altă lipază rezistentă şi ea la un interval de pH cuprins între 4 şi 6, lipaza gastrică.

Digestia lipidelor alimentare La nou născut, ambele lipaze „acide” sunt importante în digestia grăsimilor din lapte ce reprezintă principala sursă de calorii Digestia TAG din lapte are loc în poziţia 3, rezultând 1,2 diglicerid Hidroliza TAG la 1,2 diglicerid

Digestia lipidelor alimentare În absenţa totală sau parţială a lipazei pancreatice (insuficienţa pancreatică din fibroza chistică), degradarea TAG ce conţin AG cu lanţ scurt sau mediu ( sub 12 atomi de C) este asigurată tot de cele două lipaze gastrică şi linguală.

Transportul transmembranar Fibroza chistică Afecţiune genetică letală cu transmitere autosomal recesivă consecinţă a mutaţiilor la nivelul genei ce codifică proteina reglatoare a transportului transmembranar Enzimele pancreatice nu ajung în intestin cu instalarea insuficienţei pancreatice. Tratamentul constă în terapie enzimatică substitutivă. Transportul transmembranar în fibroza chistică

Emulsificarea lipidelor alimentare Procesul are loc în duoden şi creşte aria de suprafaţă a picăturilor lipidice hidrofobe, enzimele digestive acţionând mai eficient Două mecanisme complementare contribuie la realizarea emulsifierii: utilizarea proprietăţilor de tip detergent ale sărurilor biliare şi amestecul mecanic realizat de peristaltismul intestinal. FIG 3

Emulsificarea lipidelor alimentare Derivaţi de colesterol, SB sunt alcătuite dintr-un inel sterolic ce conţine o catenă laterală de care se leagă amidic o moleculă de taurină sau glicină Interacţionează cu lipidele alimentare şi cu conţinutul duodenal apos stabilizând particulele de lipide alimentare şi prevenind coaleşcenţa lor

Degradarea lipidelor alimentare sub acţiunea enzimelor pancreatice TAG alimentare, esterii de Col (EC ) şi fosfolipidele (PL) sunt degradate enzimatic sub acţiunea enzimelor pancreatice, a căror secreţie este controlată hormonal Moleculele de TAG sunt prea voluminoase pentru a fi captate eficient de celulele mucoase ale vilozităţilor intestinale.

Degradarea lipidelor alimentare sub acţiunea enzimelor pancreatice Asupra TAG acţionează iniţial lipaza pancreatică, o esterază care îndepărtează preferenţial AG de la C1 şi C3, rezultând un amestec de 2-monoacilglicerol şi AGL

Degradarea lipidelor alimentare sub acţiunea enzimelor pancreatice Lipaza pancreatică se găseşte în concentraţii mari în secreţiile pancreatice şi are o imensă activitate catalitică, malabsorţia semnifiativă a lipidelor din fibroza chistică apărând doar în insuficienţa pancreatică severă Colipaza, proteină secretată de pancreas, leagă lipaza în raport de 1:1 şi o ancorează la interfaţa moleculă lipidică- soluţie apoasă unde are loc modificarea conformaţională a lipazei cu expunerea situsurilor active

Degradarea lipidelor alimentare sub acţiunea enzimelor pancreatice Colipaza este secretată ca zimogen, pro-colipaza, activată în intestin de tripsină Orlistatul inhibă lipazele pancreatică şi gastrică, reducând absorţia grăsimilor şi având ca rezultat scăderea în greutate. Lipaza pancreatică

Esterii de colesterol EC reprezintă 10-15 % din Col alimentar, restul fiind prezent sub formă liberă EC sunt hidrolizaţi sub acţiunea colesteril-ester hidrolazei pancreatice (cholesterol esterazei potenţată de SB) rezultând Col şi AGL.

Structura fosfolipidelor Fosfolipidele Structura fosfolipidelor A1, A2, C şi D- fosfolipaze FL sunt degradate până la glicerol, AG, acid fosforic şi compuşi azotaţi în prezenţa fosfolipazelor pancreatice Proenzima fosfolipazei A2 este activată de tripsină şi are activitate optimă în prezenţa SB.

Fosfolipidele Fosfolipaza A2 îndepărtează un AG de la nivelul atomului C2 al unui FL (fosfatidilcolina), produsul reacţiei fiind un lizofosfolipid –lizofosfatidilcolina AG de la nivelul atomului C1 poate fi îndepărtat de lizofosfolipază, rezultând gliceril-fosforil-colina ce poate fi excretată în scaun, degradată sau reabsorbită.

Controlul digestiei lipidelor Secreţia enzimelor hidrolitice pancreatice implicate în digestia lipidelor alimentare din intestinul subţire este controlată hormonal Colecistokinina (CCK) este produsă de mucoasa jejunului şi a ileonului terminal, fiind un hormon peptidic de mici dimensiuni produs ca răspuns la prezenţa lipidelor şi a proteinelor digerate parţial la acest nivel CCK determină contracţia vezicii biliare şi eliberarea bilei (un amestec de SB, FL, Col liber) şi eliberarea enzimelor digestive din celulele pancreatice exocrine. În plus, CCK reduce motilitatea gastrică, astfel conţinutul gastric ajungând mai lent în intestinul subţire.

Controlul digestiei lipidelor Secretina, este un alt hormon produs de celulele intestinale ca răspuns la pH-ul scăzut al chimului gastric ajuns în intestin Stimulează eliberarea de către ficat şi pancreas a unei soluţii apoase bogate în bicarbonat ce neutralizează aciditatea conţinutului intestinal, în acest fel, pH-ul devenind favorabil acţiunii enzimelor pancreatice.

Absorţia lipidelor la nivelul enterocitelor AGL, Col liber şi 2-monoacilglicerolul sunt produşii primari ai digestiei lipidelor în jejun În asociere cu sărurile biliare şi vitaminele liposolubile formează micelii mixte, aglomerări de lipide amfipatice care îşi expun grupările hidrofile la exterior şi cele hidrofobe la interior, solubile în mediul apos al lumenului intestinal

Absorţia lipidelor la nivelul enterocitelor

Absorţia lipidelor la nivelul enterocitelor Miceliile ajung la nivelul marginii în perie a enterocitelor unde va avea loc absorţia Conţinutul lumenului intestinal este separat această membrană printr-un strat apos. Hidrofilia porţiunii externe a miceliilor favorizează transportul lipidelor hidrofobe prin stratul apos şi marginea în perie de unde acestea vor fi absorbite AG cu lanţ scurt şi mediu u necesită prezenţa miceliilor, iar Col este absorbit de enterocite în proporţie mică (ezetimidul împiedică absorţia Col in intestin).

Absorţia lipidelor la nivelul enterocitelor Resinteza TAG şi a EC are loc în reticulul endoplasmic din amestecul de lipide absorbite rezultâne lipide complexe AG sunt convertiţi în forma activată în prezenţa acilCoA-sintetazei sau tiokinazei Activarea acizilor graşi

Absorţia lipidelor la nivelul enterocitelor AG activaţi împreună cu 2-monoacilglicerolii absorbiţi enterocitar sunt convertiţi la TAG sub acţiunea complexului enzimatic al TAG sintazei Intervin două enzime: acilCoA-monoacilglicerol aciltransferaza şi acilCoA-diacilglicerol aciltransferaza

Absorţia lipidelor la nivelul enterocitelor Lizofosfolipidele sunt reacilate în prezenţa aciltransferazelor formând fosfolipide, iar colesterolul este esterificat sub acţiunea acil CoA- colesterol aciltransferazei În prezenţa AG intraenterocitari cu lanţ lung se formează TAG, FL şi EC. AG cu lanţ scurt şi mediu nu sunt convertiţi la acilCoA, fiind eliberaţi în circulaţia portală de unde sunt preluaţi de ficat în prezenţa albuminei serice.

Absorţia lipidelor la nivelul enterocitelor Malabsorţia lipidelor caracterizată prin excreţia crescută de lipide în scaun (steatoree) este cauzată de anomalii ale digestiei şi absorţiei lipidelor Apare în afecţiunile caracterizate prin digestia deficitară a lipidelor (fibroza chistică) sau prin scăderea absorţiei lipidelor (sindromul intestinului scurt); In orice deficit al secreţiei de suc pancreatic, bilă, celule mucoase defectuoase. AG cu lanţ scurt şi mediu, prin capacitatea lor de a fi preluaţi de enterocite fără intervenţa miceliilor sunt deosebit de importanţi în dieta pacienţilor cu malabsorţie.

Secreţia lipidelor la nivelul enterocitelor Moleculele de TAG şi esteri de colesterol nou sintetizate sunt extrem de hidrofobe şi agregă în mediul apos Moleculele vor fi înglobate în picături lipidice înconjurate de fosfolipide, colesterol neesterificat şi o proteină caracteristică (Apo B-48) sub forma lipoproteinelor (LP) de tipul chilomicronilor (CM). Acest strat le creşte solubilitatea şi previne coaleşcenţa. Proteina de transfer microzomal al TAG este esenţială pentru asamblarea particulelor lipoproteice la nivelul reticulului endoplasmic (RE).

Secreţia lipidelor la nivelul enterocitelor CM sunt eliberaţi din enterocite prin exocitoză în canalele lactifere, conferind limfei un aspect lăptos Această limfă se numeşte chil, iar LP trec în ductul toracic şi apoi sunt transportaţi la vena subclavie stângă În final intră în sânge fiind una dintre LP majore circulante. Pe această cale, lipidele alimentare vor putea fi utilizate în ţesuturi

Utilizarea lipidelor exogene în ţesuturi

Utilizarea lipidelor exogene în ţesuturi TAG din CM este degradat la glicerol şi AGL în prezenţa lipoproteinlipazei (LPL) în capilarele muşchilor scheletici şi ale ţesutului adipos (enzima este sintetizată predominant miocite şi adipocite ), precum şi în cele cardiace, hepatice şi renale Enzima îşi desfăşoară activitatea la suprafaţa luminală a celiulelor endoteliale

Utilizarea lipidelor exogene în ţesuturi AGL pătrund direct în miocitele şi adipocitele adiacente sau pot fi transportaţi în sânge legaţi de albumina serică de unde vor fi preluaţi de celule fiind oxidaţi în scop energetic Adipocitele reesterifică AGL până la TAG care sunt depozitate până când creşte necesarul de AG pentru organism.

Utilizarea lipidelor exogene în ţesuturi Glicerolul este utilizat exclusiv de ficat pentru a produce glicerol-3-fosfat transformat în dihidroxiacetonfosfat (DHAP) ce participă fie la glicoliză, fie la gluconeogeneză Componentele restante ale CM (EC, FL, ApoLP, vitamine liposolubile şi unele TAG) se leagă de receptorii hepatici, sunt endocitate şi hidrolizate Colesterolul şi bazele azotate ale FL (colina) sunt reutilizate de organism. Îndepărtarea defectuoasă a componentelor restante chilomicronice de către ficat duce la acumularea lor în plasmă (disbetalipoproteinemia familială denumită şi hiperlipoproteinemia de tip III).

Clasificarea lipidelor: lipidele simple, lipidele complexe Simple, constituite dintr-o singură specie moleculară, conţin în molecula lor C, H, O: Acid gras (AG) Colesterol

Clasificarea lipidelor: lipidele simple, lipidele complexe Complexe care conţin în molecula lor C,H,O,N,S,P şi sunt formate din AG şi alte molecule Fosfogliceride: acizi fosfatidici, fosfatidil serina,fosfatidil etanolamina\fosfatidilcolina, fosfatidilinozitolul, cardiolipinele, lizofosfatidele, plasmalogenii Sfingolipide: sfingomieline, glicolipide- cerebrozide şi gangliozide

Structura lipidele complexe

Acizii graşi din lipide Se găsesc în formă „liberă” în organism (neesterificaţi) şi sub forma TAG, molecule complexe rezultate prin esterificarea glicerolului cu AGL Cantităţi scăzute de AGL sunt prezente în toate ţesuturile, iar în plasmă pot fi detectate cantităţi importante mai ales în perioadele de post AGL plasmatici sunt transportaţi de albumina serică şi migrează de la locul de origine (TAG din ţesutul adipos sau LP circulante) până la locul unde vor fi degradaţi (majoritatea ţesuturilor).

Acizii graşi din lipide In muşchi şi ficat, AGL sunt oxidaţi în scop energetic AG intră în constituţia lipidelor membranare de tipul fosfolipidelor şi glicolipidelor sau pot fi ataşaţi anumitor proteine intracelulare, mărind capacitatea acestor proteine de a se ancora la membrane Sunt precursorii prostaglandinelor (PG) hormone-like AG esterificaţi stocaţi în celule ca TAG constituie cea mai importantă rezervă energetică pentru organism.

Structură, saturare, lungimea catenei AG AG sunt formaţi dintr-o catenă hidrocarbonată hidrofobă ce conţine o grupare carboxil terminală cu un pKa de 4,8

Structură, saturare, lungimea catenei AG Prezenţa AGL în cantitate mare este toxică pentru celule Există o singură excepţie în care AG pot exista în stare liberă, în stratul cornos al epidermei în care nu sunt celule vii, doar „saci” de keratină Multistratul lipidic de la acest nivel cuprinde: ceramide, colesterol, AGL şi asigură o protecţie fizică inertă (barieră hidrică), fără alte riscuri

Structură, saturare, lungimea catenei AG Porţiunea hidrofobă predomină în cazul AG cu lanţ lung (LCFA-long chain fatty acids), moleculele fiind insolubile în apă şi necesitând asocierea cu o proteină pentru a putea fi transportate în circulaţie Peste 90% din AG prezenţi în plasmă se găsesc sub formă de esteri ai AG (TAG, EC şi FL) conţinuţi în lipoproteinele circulante

Structură, saturare, lungimea catenei AG AG liberi sunt transportaţi în plasmă în asociere cu albumina În general, AG se găsesc în lipidele complexe (TG, PL) şi nu sunt eliberaţi decât în caz de necesitate şi într-un mod extrem de controlat prin reglare hormonală şi citokinică

Pozitia malonica a dublelor legaturi in AG Saturarea AG Catenele hidrocarbonate ale AG pot să nu conţină nici o legătură dublă, fiind saturaţi sau una sau mai multe legături duble, mono- sau polinesaturaţi În cazul AG polinesaturaţi, legăturile duble nu sunt conjugate, fiind întotdeauna în poziţie „malonică”, separate prin 3 atomi de C Pozitia malonica a dublelor legaturi in AG

Saturarea AG AG „naturali” au configuraţia „cis”, fapt foarte important în funcţionarea membranelor biologice AG cu configuraţie spaţială Δ „trans” sunt toxici pentru organism Dispare curbarea sau răsucirea lanţului de C la nivelul poziţiei respective, cu afectarea fluidităţii membranare.

Saturarea AG Sursa majoră este industrială prin hidrogenarea alimentelor conţinând lipide nesaturate pentru o mai bună conservare. Consecinţele constau în afectarea metabolismului lipidic, a membranelor celulare (receptori), creşterea riscului pentru bolile cardiovasculare Creşterea numărului de legături duble determină scăderea temperaturii de topire (Tm) a unui AG, în timp ce alungirea catenei hidrocarbonate duce la creşterea Tm Întrucât membranele lipidice conţin în mod tipic LCFA, existenţa legăturilor duble ale anumitor AG permite menţinerea fluidităţii acestor structuri.

Lungimea catenelor AG Denumirile comune şi structurile mai multor AG cu importanţă fiziologică Carbonul carboxilic este nr. 1, iar cel al metilului terminal este „n” Conţin un număr par de atomi de C (excepţie: primul AG), sunt liniari, monocarboxilici, saturaţi sau nesaturaţi, cu una sau mai multe duble legături (Între paranteze este precizat numărul legăturilor duble).

Lungimea catenelor AG

Lungimea catenelor AG Atomul de C cu numărul 2 de care este ataşată gruparea carboxil este denumit şi α, atomul de C cu numărul 3 este numit β, iar cu numărul 4 este carbon γ Exemplu: acidul butiric

Lungimea catenelor AG Atomul de carbon al grupării metil terminale este denumit carbon „ω” sau „n”, indiferent de lungimea catenei Cele mai importante sunt familiile „ω-3”şi „ω-6”. Δ- dubla legătură În cadrul aceleiaşi familii, trecerea unui acid în altul se realizează cu ajutorul desaturazelor şi elongazelor.

„ω-3”şi „ω-6” „ω-3” (cei mai importanţi membri): acid α linolenic C18: 3, n-3 (Δ în C15, C12, C9) acid eicosapentanoic („EPA”) C20: 5, n-3 (Δ în C17, C14, C11, C8, C5) acid docosahexaenoic („DHA”) C22: 6, n-3 (Δ în C19, C16, C13, C10, C7, C4). „ω-6” (cei mai importanţi membri): acid linoleic C18: 2, n-6 (Δ în C12, C9) acid γ linolenic C18: 3, n-6 (Δ în C12, C9, C6) acid arahidonic C20:4, n-6 (Δ în C14, C11, C8, C5)

Acizii graşi esenţiali Doi AG sunt esenţiali în alimentaţia umană: acidul linoleic, ca precursor al acidului arahidonic, substratul sintezei prostaglandinelor (PG) acidul α- linolenic, precursor al altor AG din familia „ω3” importanţi pentru creştere şi dezvoltare Acidul arahidonic devine esenţial în situaţia în care dieta este deficitară în acid linoleic.

Acizii graşi esenţiali Deficienţa de AG esenţiali este rară şi conduce la apariţia unei dermatite exfoliative, infertilitate precum şi la tulburări vizuale şi neurologice Cea mai mare parte a acestor modificări se pot remedia prin reintroducerea în alimentaţie a celor 2 AG (EPA, DHA , arahidonic nu sunt necesari).

Sinteza de novo a acizilor graşi Prin alimentaţie este furnizată o cantitate importantă de AG (origine exogenă). Carbohidraţii, proteinele şi alte molecule care depăşesc nevoile organismului pot fi transformate în AG (origine endogenă) stocaţi sub forma TAG La adult, sinteza AG are loc la nivelul ficatului, al glandelor mamare în lactaţie şi, în mică măsură, la nivelul ţesutului adipos Atomii de carbon proveniţi din acetil-CoA sunt încorporaţi catenei în formare a AG, prin utilizarea adenozin trifosfatului (ATP) şi a nicotinamid- adenin dinucleotid- fosfatului redus (NADPH).

Etapele sintezei de novo a AG: 1. Sinteza acetil-CoA citosolice se realizează prin transferul de unităţi acetat de la acetil-CoA mitocondrială spre citosol Acetil- CoA mitocondrială este produsă prin oxidarea piruvatului şi prin catabolizarea AG, a corpilor cetonici şi a aminoacizilor cetogeni Fragmentul CoA nu traversează membrana mitocondrială spre deosebire de gruparea acetil care pătrunde în citosol ca parte a citratului rezultat din condensarea oxaloacetatului (OAA) şi a acetil-CoA.

1. Sinteza acetil-CoA citosolice Acumularea izocitratului şi a citratului în mitocondrie apare când, în prezenţa unor cantităţi crescute de ATP, este inhibată izocitrat- dehidrogenaza Citratul citosolic este considerat un semnal macroergic Întrucât sinteza AG necesită cantităţi crescute de ATP, creşterea concentraţiei de citrat şi ATP intensifică acest proces Translocarea citratului din mitocondrie în citosol unde este clivat în prezenţa ATP-citrat- liazei cu formare de acetil-CoA citosolică şi OAA se desfăşoară atunci când concentraţia intramitocondrială a citratului este crescută.

SINTEZA ACETIL-CoA CITOSOLICE

2. Carboxilarea acetil- CoA cu formare de malonil- CoA În cadrul procesului de sinteză a AG, energia necesară condensării carbon-la-carbon este furnizată prin procesele de carboxilare- decarboxilare a grupărilor acetil în citosol Reacţia catalizată de acetil-CoA carboxilază este limitantă de viteză în cadrul procesului de sinteză a acidului gras.

2. Carboxilarea acetil- CoA cu formare de malonil- CoA Carboxilarea acetil-CoA cu formarea de malonil-CoA este catalizată de acetil-CoA carboxilază şi necesită HCO3- şi ATP. Coenzima este o vitamină, biotina, legată covalent de un rest lizil al carboxilazei

Reglarea pe termen scurt a acetil-CoA carboxilazei Este alosterică şi covalentă, fiind etapa limitantă de viteză în sinteza AG Dimerul inactiv al enzimei suferă sub acţiunea citratului o activare alosterică ceea ce determină polimerizarea dimerilor Depolimerizarea cu inactivarea enzimei este realizată de către produsul final al căii CITRAT

Reglarea pe termen scurt a acetil-CoA carboxilazei Al doilea mecanism de reglare pe termen scurt este reprezentat de fosforilarea reversibilă În prezenţa adrenalinei şi a glucagonului, acetil-CoA carboxilaza este fosforilată şi astfel inactivată Defosforilarea cu activarea enzimei are loc în prezenţa insulinei .

Reglarea pe termen scurt a acetil-CoA carboxilazei Acetil-CoA carboxilaza este fosforilată de protein-kinaza activată de adenozin monofosfat (AMPK) AMPK este activată alosteric în urma creşterii relative a concentraţiei de AMP în raport cu concentraţia de ATP şi activată covalent prin fosforilare sub acţiunea AMP-kinazei

Reglarea pe termen lung a acetil-CoA carboxilazei Excesul caloric pe termen lung determină intensificarea sintezei acetil-CoA carboxilazei stimularea sintezei de AG In timp ce dieta săracă în calorii conduce la diminuarea sintezei de AG ca urmare a reducerii sintezei acetil-CoA carboxilazei.

Acid gras sintaza

Acid gras sintaza Este o enzimă multifuncţională dimerică prezentă la eucariote Fiecare monomer este alcătuit dintr-un polipeptid multicatalitic cu şapte activităţi enzimatice diferite precum şi un domeniu care leagă covalent o moleculă de 4’- fosfopanteteină (derivat de acid pantotenic ce transportă pe gruparea tiol terminală unităţi acil şi acetil pe parcursul sintezei de AG) La eucariote, acest domeniu de legare, o proteină separată ce aparţine acid gras sintazei este denumit ACP sau proteină transportoare de grupări acil (acyl carrier protein).

Acid gras sintaza Domeniile catalitice ale enzimei realizează următoarele acitivităţi: [1] Domeniul enzimatic: Acetil-CoA-ACP- acetil-trans-acilaza- E1. O moleculă de acetat este transferată de la acetil-CoA pe gruparea –SH a ACP [2] Fragmentul bicarbonic este transferat pe gruparea tiol a unui rest cisteinic de pe enzimă unde rămâne temporar.

Acid gras sintaza [3] Domeniul enzimatic: Malonil- CoA- ACP trans-acilaza. ACP- E3, rămasă vacantă, acceptă o unitate malonat cu trei atomi de carbon de la malonil- CoA

Acid gras sintaza [4] Domeniul enzimatic: 3- Cetoacil- ACP sintaza- E4. Gruparea malonil pierde HCO3- pe care îl primise iniţial de la acetil- CoA carboxilază, facilitând atacul nucleofil asupra legăturii tioester dintre gruparea acetil şi restul cisteinic Reacţia este susţinută de energia liberă furnizată prin decarboxilare

Acid gras sintaza [5] Domeniul enzimatic: 3-cetoacil-ACP-reductaza- E5. Gruparea cetonică este redusă la un alcool

Acid gras sintaza [6] Domeniul enzimatic: 3-hidroxiacil- ACP- dehidrataza- E6 Îndepărtarea unei molecule de apă permite realizarea unei duble legături între atomii de carbon 2 şi 3 sau α şi β

Acid gras sintaza [7] Domeniul enzimatic: enoil- ACP reductaza- E7. Are loc un proces de reducere a dublei legături Produsul rezultat în urma acestor etape este un compus cu patru atomi de carbon (butiril- AGS) care rămâne ataşat de ACP

Acid gras sintaza Aceste etape se repetă, începând cu transferul catenei butiril de pe ACP pe reziduul Cys. E1 are specificitate de grup; transferă resturi acil, nu numai acetil

Acid gras sintaza În continuare, este ataşată o moleculă de malonat la ACP, urmată de condensarea celor două molecule cu eliberarea CO2

Acid gras sintaza Gruparea carbonil ataşată carbonului β suferă un proces de reducere, de deshidratare şi ulterior de reducere cu generare de hexanoil-ACP

Acid gras sintaza Acest ciclu de reacţii se repetă de încă cinci ori, cu încorporarea a încă doi atomi de carbon proveniţi din malonil CoA la capătul carboxil al catenei de carbon Procesul de sinteză ia sfârşit când lungimea catenei acidului gras ajunge la 16 atomi de carbon, cu producere de palmitoil- S-ACP În prezenţa palmitoil-tioesterazei, legătura tioester este clivată, rezultând o moleculă saturată de palmitat

Acid gras sintaza Cu excepţia celor doi atomi de carbon iniţiali ce provin de la acetil-CoA, toţi atomii de carbon sunt de la malonil-CoA, fiind inseraţi la nivelul grupării metil terminale a catenei acidului gras.

Surse de NADPH necesare sintezei acizilor graşi Calea hexozo-monofosfaţilor este cea mai importantă sursă de NADPH. Se produc două molecule de NADPH pentru fiecare moleculă de glucoză Conversia citosolică a oxaloacetatului la piruvat, prin oxidare şi decarboxilare în prezenţa enzimei malice citosolice generează NADPH citosolic.

Interrelaţia dintre metabolismul glucozei si sinteza palmitatului [1] Calea glicolitică Furnizor de piruvat ce reprezintă sursa primară de acetil-CoA mitocondrială, folosită în sinteza acizilor graşi Se produce şi NADH citosolic important în conversia oxaloacetatului la malat în prezenţa malat- dehidrogenazei citosolice. Piruvatul pătrunde în mitocondrie.

Interrelaţia dintre metabolismul glucozei si sinteza palmitatului [2] Oxaloacetatul mitocondrial este un intermediar comun fiind produs şi în prima etapă a căii glicolitice [3] AcetilCoA este produs intramitocodrial şi generează citrat prin condensare cu oxaloacetat, fiind prima etapă a ciclului Krebs.

Interrelaţia dintre metabolismul glucozei si sinteza palmitatului [4] Citratul care părăseşte mitocondria este clivat la în citosol cu producerea acetil-CoA citosolice utilizată în sinteza acidului palmitic Sursa de echivalenţi reducători ai acestei căi o reprezintă NADPH-ul [5] NADH-ul rezultat din glicoliză contribuie la reducerea NADP+ la NADPH necesar sintezei de palmitoil-CoA.

Elongarea acizilor graşi Palmitatul, acid gras cu 16 atomi de carbon, poate fi alungit în continuare prin adăugarea a câte doi atomi de carbon în reticulul endoplasmic (RE) şi în mitocondrie Creierul prezintă capacitate de elongare suplimentară fiind necesari AG cu catenă lungă de până la 24 atomi de carbon, necesari sintezei lipidelor cerebrale.

Elongarea acizilor graşi Desaturarea catenelor de acizi graşi se realizează tot la nivelul RE prin introducerea legăturilor duble cis în prezenţa oxidazelor cu funcţii mixte, a NADH-ului şi a O2 Acizii graşi polinesaturaţi se obţin prin desaturare suplimentară cu elongare Desaturazele nu au capacitatea de a introduce legături duble de la carbonul 10 până la capătul ω al catenei, motiv pentru care acidul linoleic şi linolenic sunt esenţiali în alimentaţie.

Stocarea acizilor graşi sub formă de componente ale triacilglicerolilor (TAG) Mono-, di- şi triacilglicerolii sunt compuşi din una, două sau trei molecule de acid gras esterificat cu o moleculă de glicerol Esterificarea AG se realizează prin grupările carboxil rezultând o „grăsime neutră”. Dacă AG conţinuţi se prezintă sub formă lichidă acilglicerolul este denumit ulei, iar dacă este solid, „grăsime”.

Triacilgliceroli (TAG) Structura triacilglicerolilor (TAG) Cei trei AG esterificaţi cu glicerolul nu sunt de acelaşi tip. AG1 este de obicei saturat, AG2 este nesaturat, iar AG3 poate fi de orice tip. Prezenţa AG nesaturaţi determină scăderea temperaturii de topire (Tm) a lipidului.

Stocarea TAG. Sinteza glicerol-fosfatului Întrucât TAG sunt uşor hidrosolubili şi nu formează singuri micelii fuzionează în interiorul adipocitelor formând picături uleioase anhidre ce constituie rezerva majoră de energie a organismului Acceptorul iniţial al AG în procesul de sinteză a TAG este glicerol-fosfatul ce poate fi produs prin două căi:

Sinteza glicerol-fosfatului DHAP este redus sub acţiunea glicerol-fosfat-dehidrogenazei (DHAP-reductazei) până la glicerol-fosfat Adipocitele preiau glucoza doar în prezenţa insulinei. Când nivelul glicemiei este scăzut şi implicit al insulinei plasmatice, adipocitele au o capacitate limitată de sinteză a glicerol-fosfatului şi a TAG.

Sinteza glicerol-fosfatului b. A II-a cale se desfăşoară în ficat, dar nu şi în ţesutul adipos, folosind pentru convertirea glicerolului liber în glicerol-fosfat glicerol-kinaza

Sinteza glicerol-fosfatului Conversia unui AG liber în forma sa activată Reacţia are loc în prezenţa unei tiokinaze (o familie de acil gras-CoA-sintetaze) şi este necesară unui AG pentru a putea participa la procesele metabolic

Sinteza unei molecule de TAG din glicerol-fosfat acil gras- CoA Patru reacţii ce constau în adăgarea secvenţială a doi acizi graşi de la acil gras- CoA ( în prezenţa acil-transferazelor), îndepărtarea fosfatului şi adiţionarea unui al treilea AG Iniţial se obţine acid lisofosfatidic şi ulterior acid fosfatidic. Reacţia globală

Sinteza unei molecule de TAG din glicerol-fosfat acil gras- CoA Sinteza diacilglicerolului (DAG) are loc în prezenţa fosfatazei

Sinteza unei molecule de TAG din glicerol-fosfat acil gras- CoA Adiţionarea celui de-al treilea AG cu formare de TAG se realizează în prezenţa unei acil- transferaze

TAG TAG stocaţi în citoplasma celulelor ţesutului adipos sunt uşor de mobilizat când organismul are nevoie de energie În ficat TAG sunt stocaţi în cantitate foarte mică, cea mai mare parte fiind exportată sub forma VLDL formate prin asocierea cu EC, Col, fosfolipide şi proteine precum apolipoproteina B100 Lipoproteinele de tipul VLDL nou formate sunt eliberate direct în sânge unde se maturează şi transportă lipidele sintetizate endogen spre ţesuturile periferice CM transportă în primul rând lipidele alimentare sau exogene, în timp ce VLDL lipidele endogene.

Mobilizarea grăsimilor stocate şi oxidarea acizilor graşi TAG sunt rezerve concentrate de energie metabolică deoarece prin oxidarea completă a AG la CO2 şi H2O se produc nouă kcal/g grăsime faţă de numai 4 kcal/g de carbohidrat sau proteină Mobilizarea grăsimilor din depozite presupune eliberarea prin hidroliză a glicerolului şi AG în prezenţa lipazei hormon sensibile ce îndepărtează un AG de pe carbonul 1 şi sau carbonul 3 Restul AG din diacil- şi monoacilglicerol sunt hidrolizaţi de lipaze adiţionale.

Activarea lipazei hormone sensibile (HSL- hormone-sensitive lipase) Enzima este activată prin fosforilarea de către o protein- kinază 3’, 5’- AMPc (ciclic) – dependentă AMPc este produs în adipocite când epinefrina sau glucagonul se leagă de receptorii membranari activând adenilat-ciclaza Procesul este similar cu cel al activării glicogen-fosforilaze Întrucât acetil- CoA carboxilaza este inhibată prin fosforilare reglată hormonal, activarea cascadei AMPc determină încetarea sintezei de acizi graşi cu declanşarea hidrolizei TAG

Activarea lipazei hormone sensibile (HSL- hormone-sensitive lipase) Defosforilarea cu inactivarea enzimei apare în prezenţa unor niveluri plasmatice ridicate de insulină şi glucoză.

Destinaţia glicerolului Glicerolul rezultat din hidroliza TAG nu poate fi metabolizat în adipocite neavând glicerol-kinază la acest nivel Glicerolul va fi transportat pe cale sangvină la ficat, unde poate fi fosforilat

Destinaţia glicerolului Glicerol- fosfatul rezultat este folosit de ficat pentru sinteza TAG sau este transformat în DHAP prin inversarea reacţiei catalizate de glicerol-fosfat- dehidrogenază, acesta participând la glicoliză sau gluconeogeneză

Destinaţia acizilor graşi AG neesterificaţi sau liberi traversează imediat membrana celulară adipocitară şi se leagă de albumina serică. De aici ajung la ţesuturi, intracelular (în mitocondrii) fiind activaţi la acilCoA fiind oxidaţi în scop energetic

Destinaţia acizilor graşi AG sunt transportaţi în celule fie prin difuziune simplă, fie prin transport mediat de proteine de tip FABPs (fatty acid- binding proteins) sau printr-o combinaţie a celor două Independent de concentraţia lor plasmatică, AG nu pot fi utilizaţi ca sursă energetică în creier (bariera hemato-encefalică fiind impermeabilă) sau în eritrocite (lipsite de mitocondrii).

β- oxidarea acizilor graşi. Etape. Principala cale de catabolizare a acizilor graşi saturaţi (AGS) la nivel mitocondrial, pe parcursul căreia sunt îndepărtate succesiv fragmente bicarbonice de la capătul carboxil al acilCoA, rezultând acetil-CoA, NADH şi FADH2 [1] Transportul LCFA în mitocondrie. După ce pătrunde în celulă, LCFA este transformat în derivatul său cu CoA.

Transportul LCFA în mitocondrie Reacţia are loc în citosol (faţa citoplasmatica a membranei mitocondriale) cu participarea ATP, a coenzimei A şi este catalizata de o enzimă specifică a membranei mitocondriale externe, numită tiokinază

Transportul LCFA în mitocondrie Acidul gras activat cu catenă lungă nu poate trece prin membrana mitocondrială internă care este impermeabilă pentru CoA Din acest motiv, se utilizeaza o navetă biologică, denumită carnitina, AG traversand membrana sub formă de acil-carnitina.

Etapele translocării LCFA: [a] Radicalul acil este transferat de pe CoA pe carnitină în prezenţa carnitin- palmitoil transferazei I (CPT-I), enzimă a matricei mitocondriale externe. Mai este denumită şi carnitin- acil transferaza I (CAT-1). Produsul reacţiei este acil-carnitina, cu regenerare de CoA liberă [b] Acil- carnitina este transportată în matricea mitocondrială în schimbul carnitinei libere sub acţiunea carnitin- acil-carnitin-translocazei [c] Carnitin- palmitoil transferazei II (CPT-II), enzimă a matricei mitocondriale interne, catalizează transferul radicalului acil de pe carnitină pe CoA în matricea mitocondrială, regenerând astfel carnitina liberă.

Inhibitorul navetei biologice- carnitina Malonil-CoA inhibă CPT-I, prevenind pătrunderea radicalilor acil cu lanţ lung în matricea mitocondrială Ca urmare, atunci când în citosol are loc sinteza acizilor graşi (indicată de prezenţa malonil-CoA), palmitatul nou format nu poate fi transferat în mitocondrie şi degradat Fosforilarea cu inactivarea acetil-CoA carboxilazei determină reducerea producţiei de malonil-CoA, deblocând astfel oxidarea acizilor graşi.

Inhibitorul navetei biologice- carnitina Raportul acetil-CoA/CoA reglează oxidarea acizilor graşi astfel: creşterea raportului inhibă reacţia catalizată de tiolază

Sursele de carnitină Sunt exogene, prin alimentaţie, mai ales în produsele din carne şi endogene, prin sinteza din lizină şi metionină la nivel hepatic şi renal, dar nu şi în muşschiul cardiac sau scheletic Ca urmare, aceste ţesuturi depind integral de carnitina exogenă sau obţinută prin sinteză endogenă şi distribuită pe cale sangvină Muşchiul scheletic conţine aproximativ 97% din cantitatea totală de carnitină din organism.

Deficienţa de carnitină Are ca rezultat scăderea capacităţii ţesuturilor de a utiliza LCFA drept combustibil metabolic Alterarea fluxului unui metabolit dintr-un anumit compartiment celular poate determina apariţia unei patologii. Cauze de deficienţe secundare pot fi: Bolile hepatice (prin scăderea sintezei de carnitină) Malnutriţia şi dieta vegetariană Necesităţi crescute de carnitină determinate de sarcină, infecţii severe, arsuri, traumatisme etc, hemodializa Carnitina este îndepărtată din sânge.

Deficienţa de carnitină Deficienţa primară de carnitină apare în: Lipsa congenitală a uneia dintre componentele sistemului carnitin- palmitoil- transferazei, ale reabsorţiei tubulare renale a carnitinei sau ale preluării carnitinei de către celule. Deficitul genetic de CPT- I afectează ficatul din cauza imposibilităţii de a folosi LCFA drept combustibil cu scăderea importantă a capacităţii ţesutului hepatic de a sintetiza glucoza în perioadele de post alimentar Consecinţele sunt: hipoglicemia severă, coma, decesul.

Deficienţa de carnitină Deficitul genetic de CPT- II este întâlnit în muşchiul scheletic şi cardiac unde simptomatologia variază de la slăbiciune musculară cu mioglobinemie ca urmare a efortului fizic prelungit până la cardiomiopatie. Tratamentul cuprinde: Evitarea perioadelor de post prelungit Alimentaţie bogată în carbohidraţi şi săracă în LCFA suplimentată cu AG cu lanţ mediu şi adiministrarea de carnitină în cazul deficienţei de metabolit.

Pătrunderea AG cu lanţ mediu şi scurt în mitocondrie AG cu mai puţin de 12 atomi de carbon traversează membrana internă mitocondrială fără ajutorul carnitinei sau al sistemului CPT În mitocondrie, sunt activaţi la derivaţii lor cu CoA în prezenţa enzimelor matriceale şi sunt oxidaţi În laptele matern există cantităţi crescute de AG cu lanţ mediu, a căror oxidare este independentă de CPT- I şi de concentraţia de malonil-CoA.

Reacţiile β- oxidării Primul ciclu al β- oxidării se realizează prin parcurgerea a patru etape De fiecare dată are loc detaşarea unui fragment de doi atomi de carbon sub formă de acetil-CoA Un acid cu N atomi de C va parcurge (N/2-1) cicluri.

Reacţiile β- oxidării Legătura dintre gluconeogeneză şi oxidarea AG este realizată prin intermediul acetil-CoA, efector alosteric pozitiv al piruvat-carboxilazei Etapele acestui ciclu includ o reacţie de oxidare, cu producere de FADH2, o etapă de hidratare, a doua reacţie de oxidare cu producere de NADH şi o clivare tiolitică în urma căreia este eliberată o moleculă de acetil-CoA

Reacţiile β- oxidării Bilanţul fiecărui ciclu generează o moleculă de FADH2, o moleculă de NADH şi un radical acetil, exceptând clivajul tiolitic final când rezultă două grupări acetil

Energia rezultată din oxidarea acizilor graşi Prin oxidarea completă unei molecule de palmitoil- CoA se produc 8 molecule de acetil- CoA, 7NADH şi FADH2 din care vor fi generate 131 molecule de ATP din care energia netă obţinută va fi de 129 (activarea acidului gras necesită 2ATP).

Comparaţia sinteză/degradare LCFA cu număr par de atomi de carbon

Deficienţa de acil gras cu lanţ mediu- CoA- dehidrogenază MCAD- medium chain fatty acyl CoA- dehidrogenase În mitocondrie există patru tipuri de acil gras- CoA- dehidrogenază cu specificitate pentru AG cu lanţ lung şi foarte lung, mediu şi scurt Deficienţa de MCAD, cu transmitere AR, determină reducerea oxidării acizilor graşi cu hipoglicemie severă (este folosită glucoza) Tratamentul include o alimentaţie bogată în carbohidraţi. Cei mai afectaţi sunt sugarii deoarece alimentaţia lor include lapte ce conţine în principal AG cu lanţ mediu. Deficienţa de MCAD a fost stabilită drept cauză a sindromului Reye sau a sindromului morţii subite la sugar (SIDS, sudden infant death syndrome)

Oxidarea acizilor graşi cu nr impar de atomi de carbon Aceleaşi etape ca în cazul acizilor cu număr par de atomi de carbon până când se ajunge la propionil- CoA a cărui metabolizare cuprinde trei etape: [a] Sinteza D-metil-malonil-CoA prin carboxilarea propionil-CoA în prezenţa propionil- CoA- carboxilazei ce necesită în mod obligatoriu biotină [b] Formarea L-metil-malonil-CoA din izomerul D sub acţiunea metil-malonil- CoA-racemazei.

Oxidarea AG cu număr impar de atomi de carbon [c] Sinteza succinil- CoA prin rearanjarea atomilor de carbon din L-metil-malonil-CoA în prezenţa metil-malonil-CoA-mutazei ce necesită prezenţa unei forme coenzimatice a vitaminei B12- deoxi-adenozin-cobalamina; Succinil-CoA poate intra în ciclul acizilor tricarboxilici (ATC), fiind singurul precursor glucogenic obţinut în urma oxidării unui AG

Oxidarea AG cu număr impar de atomi de carbon

Oxidarea AG cu număr impar de atomi de carbon În deficitul de vitamină B12, propionatul şi metil-malonatul sunt excretate în urină În acidemia şi aciduria metilmalonică ereditară fie mutaza lipseşte sau este deficitară (sau cu afinitate scăzută pentru coenzimă), fie vitamina B12 nu poate fi transformată în coenzimă În ambele situaţii apare acidoză metabolică ce se poate asocia cu retardul de creştere.

Oxidarea acizilor graşi nesaturaţi Furnizează mai puţini echivalenţi reducători ca urmare a prezenţei mai multor legături duble De exemplu, acidul oleicmononesaturat 18: 1 (9) necesită o enzimă adiţională, 3, 2- enoil- CoA- izomeraza, ce converteşte derivatul 3-trans obţinut în urma a trei cicluri de oxidare în derivatul 2-trans, substrat al hidratazei Oxidarea acidului linoleic polinesaturat 18: 2 (9, 12) necesită înafara izomerazei şi 2,4- dienoil- CoA- reductaza- NADPH- dependentă.

β-oxidarea preliminară în peroxizomi Este necesară în cazul AG cu mai mult de 20 atomi de carbon sau cu lanţ foarte lung VLCFA (very long chain fatty chain) Dehidrogenarea iniţială peroxizomală este catalizată de o acil- CoA-oxidază ce conţine FAD. Oxidarea la FADH2 are loc în prezenţa oxigenului molecular ce va fi redus la H2O2 care sub acţiunea catalazei va forma H2O AG devenit mai scurt poate fi transportat în mitocondrie pentru o nouă oxidare. În defectele genetice care afectează capacitatea funcţională a peroxizomilor (sindromul Zellweger) sau capacitatea de a transporta VLCFA prin membrana peroxizomală determină acumularea VLCFA în ţesuturi şi în sânge.

ω - oxidarea acizilor graşi Este o cale minoră, fiind activată în special în deficienţa MCAD. Acidul fitanic, un AG cu lanţ ramificat nu reprezintă un substrat pentru acil- CoA-dehidrogenaza din cauza grupării metil de pe carbonul 3 sau β Este hidroxilat la carbonul α de către acid-gras- α- hidroxilaza, produsul obţinut fiind decarboxilat şi ulterior activat la derivatul său cu CoA, substrat al β- oxidări Deficienţa de α- hidroxilază este o boală cu transmitere autozomal recesivă (Boala Refsun) cu acumularea acidului fitanic în sânge şi ţesuturi