DEPARTAMENTO DE BIOQUÍMICA HUMANA MATERIA QUÍMICA BIOLÓGICA - CICLO LECTIVO 2015

TRABAJO PRÁCTICO 12

Cetogénesis y Cetolisis

Cetoacidosis

METABOLISMO DE CUERPOS CETÓNICOS

CETOGÉNESIS: SÍNTESIS DE CUERPOS CETÓNICOS

Los cuerpos cetónicos son un grupo de compuestos de

bajo peso molecular que incluyen: el -hidroxibutirato,

aceto-acetato y acetona. Para la síntesis de estos

compuestos, que ocurre en el hígado, 2 moléculas de

Acetil-CoA reaccionan para formar acetocetil CoA por

una reacción inversa a la catalizada por la tiolasa. Otra

molécula de Acetil-CoA reacciona con el acetoacetil

CoA, produciendo 3-hidroxi-3-metilglutaril CoA

(HMGCoA) y liberando a la coenzima A en forma

libre, no acetilada (CoASH). La enzima que cataliza

esta reacción es la hidroximetil-glutaril CoA sintetasa

(HMGCoA sintetasa). Esta enzima es inducida durante

el ayuno y es inhibida por CoASH.

En la siguiente reacción HMGCoA liasa cataliza la

ruptura de HMGCoA para formar acetilCoA y

acetoacetato.

El acetoacetato tiene 3 destinos posibles. Puede pasar directamente a la sangre o bien puede ser

reducido por una deshidrogenasa dependiente de NADH a un segundo cuerpo cetónico, el -

hidroxibutirato, el cual pasa a la sangre. Esta reacción de la deshidrogenasa es facilmente reversible y

sirve para interconvertir estos 2 compuestos los cuales pasan a la sangre y van desde el hígado a otros

tejidos donde son utilizados como moléculas combustibes, es decir , son oxidados para proveer

energía. El tercer destino del acetoacetato es su decarboxilación. En esta reacción se libera CO2 y se

forma acetona. La acetona no se metaboliza y como es volátil se expira por los pulmones.

La relación NADH/NAD determina la cantidad relativa de acetoacetato y -hidroxibutirato que son

producidos. Los humanos generalmente, producen más -hidroxibutirato que acetoacetato.

UCETOLISIS: OXIDACIÓN DE CUERPOS CETÓNICOS

Los cuerpos cetónicos proveen combustible para los tejidos

particularmente durante el ayuno. Cuando los ácidos grasos son

liberados del tejido adiposo, por la hidrólisis de los triglicéridos,

el hígado usa estos ácidos grasos para sintetizar cuerpos

cetónicos los cuales van hacia los tejidos, tales como músculo y

riñón, donde son oxidados.

Durante el ayuno, el nivel plasmático de los cuerpos cetónicos

se eleva y en casos de inanición pueden entrar en el cerebro,

donde son oxidados, reduciendo la cantidad de glucosa

requerida por este tejido.

El acetoacetato puede entrar a las células directamente o puede

ser producido dentro de ellas por oxidación del -

hidroxibutirato. Esta reacción catalizada por la -hidroxibutirato

deshidrogenasa, produce NADH el cual genera ATP por

fosforilación oxidativa. Por lo tanto, más energía se produce por

oxidación del -hidroxibutirato que por oxidación de

acetoacetato.

La activación de acetoacetato se produce en mitocondrias y es

catalizada por la succinil CoA acetoacetato CoA transferasa.

Como el nombre lo sugiere, CoA es transferida desde el

succinilCoA, un intermediario del ciclo de Krebs, a

acetoacetato. Los productos de esta reacción son acetoacetilCoA y succinato.

Aunque el hígado produce cuerpos cetónicos, no los utiliza porque no hay en el hígado suficiente

cantidad de tiotransferasa.

-cetotiolasa, la misma enzima involucrada en la -oxidación, cataliza la ruptura de acetoacetilCoA.

Una molécula de acetoacetilCoA produce 2 moléculas de AcetilCoA, las cuales entran en el ciclo de

Krebs.

En resumen, los ácidos grasos liberados de los triglicéridos del tejido adiposo sirven como principal

combustible para el organismo durante el ayuno. Estos ácidos grasos son completamente oxidados a

CO2 y H2O por algunos tejidos. El hígados oxida ácidos grasos, convirtiendo la mayoría de la

AcetilCoA en cuerpos cetónicos, los cuales van por sangre hacia tejidos periféricos. En estos tejidos

los cuerpos cetónicos son oxidados a CO2 y H2O y se genera ATP.

La cantidad total de energía obtenida por oxidación parcial de ácidos grasos en el hígado y enviar los

cuerpos cetónicos a otros tejidos para su oxidación completa, aporta la misma cantidad de energía que

se obtiene por oxidación completa de los ácidos grasos en un único tejido. La ventaja ganada por la

formación de cuerpos cetónicos es que:

1.- el hígado obtiene la energía requerida para realizar ciertos procesos, tales como gluconeogénesis,

de la oxidación parcial de los ácidos grasos y además forma cuerpos cetónicos

2.- otros tejidos usan estos cuerpos cetónicos como combustible

3.- durante el ayuno, el cerebro puede oxidar cuerpos cetónicos, reduciendo las necesidades de

glucosa. Consecuentemente, durante el ayuno, la gluconeogénesis disminuye, y las proteínas

musculares, las cuales proveen amino ácidos como fuente de carbono para la producción de glucosa,

no son degradadas.

REGULACIÓN DE LA OXIDACIÓN DE LOS ÁCIDOS GRASOS Y DE LA UTILIZACIÓN DE CUERPOS CETÓNICOS

La oxidación de los ácidos grasos está regulada por el mecanismo que controla la reoxidación de

FADH2 y NADH por la cadena de transporte de electrones, es decir, por la demanda de ATP.

El músculo usa preferentemente ácidos grasos como combustible. Cuando los ácidos grasos son

abundantes, la oxidación de la glucosa en el músculo es inhibida. -oxidación produce NADH y

acetilCoA, la que causa que la piruvato deshidrogenasa sea fosforilada e inactivada. Por lo tanto, el

piruvato producido a partir de glucosa por medio de la glucólisis no puede ser convertido a acetilCoA

para entrar en el ciclo de Krebs. Por lo tanto, los intermediarios de la glucolisis se acumulan si la

producción de ATP a partir de ácidos grasos es adecuada para satisfacer las necesidades energéticas de

la célula. La glucosa 6-P inhibe la hexoquinasa, disminuyendo la velocidad de entrada de glucosa al

camino glucolítico. Además, otros mecanismos pueden operar para disminuir la glucolisis: por

ejemplo: acción de citrato sobre fosfofructoquinasa I. Sin embargo, la importancia fisiológica de este

mecanismo en humanos está actualmente discutida.

Después de una ingesta de hidratos de carbono, cuando los ácidos grasos están siendo sintetizados en

el citosol de las células hepáticas, su oxidación inmediata en las mitocondrias hepáticas es impedida

por el malonilCoA, un intermediario en la síntesis de ácidos grasos. Malonil CoA inhibe la carnitina

aciltransferasa I, involucrada en el transporte de ácidos grasos hacia la mitocondria donde se localizan

las enzimas de la -oxidación. Por lo tanto, en el estado alimentado, los ácidos grasos no son oxidados

en el hígado ni convertidos en cuerpos cetónicos.

Durante el ayuno, en el hígado, la síntesis de ácidos grasos, y en consecuencia, los niveles de

malonilCoA, disminuyen. La movilización de los triglicéridos del tejido adiposo ocurre como

resultado de una alta relación glucagon/insulina. El hígado puede ahora tomar estos ácidos grasos y

transportarlos a la mitocondria. Debido a que el flujo de oxalacetato y malato es hacia la síntesis de

glucosa (porque está ocurriendo gluconeogénesis), acetilCoA se acumula y es usada para la síntesis de

cuerpos cetónicos. A medida que el ayuno progresa, HMGCoA sintetasa, la enzima clave en la

síntesis de cuerpos cetónicos, se induce.

DEFICIENCIAS GENÉTICAS ASOCIADAS A LA DEGRADACIÓN DE ÁCIDOS GRASOS

UA.- Deficiencias en el transporte de carnitina o palmitoil carnitina

Alteraciones genéticas a nivel del sistema enzimático de la palmitoil carnitina (CPT), que transfiere

ácidos grasos de cadena larga a traves de la membrana interna mitocondrial, resultan en un número de

patologías en esta vía metabólica.

1. UDeficiencia en Carnitina U: Las deficiencias en carnitina resultan en una incapacidad de transportar

ácidos hacia la mitochondria para la oxidación. Esto puede ocurrir en recién nacidos y

particularmente en bebés prematuros y también en pacientes que experimentan hemodialisis o

que presentan aciduria. Esta deficiencia puede manifestarse con sintomatología sistémicas o

puede limitarse únicamente a los músculos. Los síntomas pueden variar desde ocasionales

calambres musculares leves al abatimiento severo o aún la muerte. Se han descripto 2 categorías

distintas para esta patología: primaria y secundaria. La deficiencia primaria en carnitina está

causada por un defecto en el transportador de alta afinidad presente en membrana plasmática, es

tejidos tales como, músculo, riñón, corazón y fibroblastos. Esto resulta en niveles

extremadamente bajos de carnitina tanto en los tejidos afectados como en el plasma (debido a la

falla del riñón en absorber carnitina). Los muy bajos niveles de carnitina en músculo esquelético

y estriado compromete seriamente la oxidación de los ácidos grasos de cadena larga. El

tratamiento se basa en la adminnistración oral de carnitina.

La deficiencia secundaria en carnitina está asociada habitualmente con defectos hereditarios en la

vía de -oxidación, lo que lleva a una acumulación de acilCoA y en consecuencia, de

acilcarnitina. Este último compuesto puede ser excretado en la orina.

2. UDeficiencia en carnitina palmitoiltransferasa U: La deficiencia más común resulta de mutaciones en

el gen que codifica para CPT II, lo que lleva a una pérdida parcial en la actividad de esta enzima.

Generalmente el paciente experimenta debilidad muscular durante el ejercicio prolongado,

momento en el cual la energía muscular se obtiene fundamentalmente de la oxidación de los

ácidos grasos. Generalmente se observa mioglobinuria, por la degradación muscular. Hay otro

tipo de mutaciones que causan una pérdida de la actividad CPT II más severa, y puede tener

consecuencias más severas en la infancia. Son precipitados por períodos de ayuno y presentan

hipoglucemia hipo-cetógenas.

3. UDeficiencias en Acyl-CoA DehydrogenasasU: Este defecto hereditario (autosomal recesivo) fue

descripto hace pocos años y altera la -oxidación de los ácidos grasos en diferentes etapas del

acortamiento de la cadena carbonada. La enzima afectada puede ser la VLCAD, LCAD, MCAD

o SCAD. En todos los casos las manifestaciones clínicas son siomilares.

La deficiencia en MCAD se manifiensta en los 2 primeros años de vida después de un ayuno de

más de 12 horas. Los síntomas son: vómitos, letargo y frecuentemente coma, acompañado de

hipoglucemia hipocetótica y aciduria decarboxílica. La ausencia de la cetosis, típica del ayuno, se

debe a la incapacidad de producir -oxidación hepática, lo que además baja la gluconeogénesis.

En el músculo, como los 'ácidos grasos no pueden ser utilizados como fuente de energía, se utiliza

glucógeno muscular, lo que acelera la hipoglucemia. La acumulación de ácidos grasos de cadena

mediana en los tejidos desvía el metabolismo hacia vías altenativas como la !-oxidación y la

transesterificación con glicina o carnitina. Esta patología puede detectarse mediante la medición

de ácidos grasos de cadena mediana o esteres de glicina y carnitina que aparecen en la orina. Los

pacientes con esta deficiencia pueden llevar una vida normal evitando los períodos de ayuno.

B.- UEnfermedad de RefsumU: si bien la "-oxidación es un proceso de menor importancia, desde el

punto de vista energético, es un metabolismo significativo de las ácidos grasos metilados que son

incorporados con la dieta. El principal ejemplo es el ácido fitánico, el cual proviene del fitol , que es

forma parte de la clorofila. El ácido fítico también se lo encuentra en la leche y grasas animales y

normalmente es metabolizado por una "-hidroxilación inicial seguido por dehidrogenación y

decarboxilación para luego continuar con una -oxidación. Los productos finales de este metabolismo

son: 3 propionil CoA, 3 acetilCoA, y 1 isobutirilCoA. En la enfermedad de Refsum el paciente no

presenta actividad enzimática de "-hidroxilación y por lo tanto acumula grandes cantidades de ácido

fítico en tejidos y suero. Esto lleva a grandes problemas neurológicos tales como retinitis pigmentosa,

neuropatía periférica, ataxia cerebelar y sordera. Se logra una reducción de los síntomas neurológicos

mediante una restricción en la dieta de productos lácteos y carnes derivados de rumiantes.

1BC .- UDesórdenes Perixosomales

0BADRENOLEUCODISTROFIA:

La adrenoleucodistrofia describe cualquiera de varios trastornos hereditarios estrechamente

relacionados que involucran la degradación de los ácidos grasos de cadena larga. Estos trastornos

afectan las Hglándulas suprarrenales H, el sistema nervioso y los HtestículosH.

La adrenoleucodistrofia se trasmite como un Hrasgo ligado al cromosoma XH (la forma neonatal se

presenta por transmisión autosómica recesiva) y afecta aproximadamente de 1 en 20.000 a 1 en

50.000 personas de todas las razas. Esta afección ocasiona la acumulación de ácidos grasos de cadena

larga (C22 – C24) en el sistema nervioso, en las glándulas suprarrenales y en los testículos, lo

cual interrumpe la actividad normal. Existen siete formas reconocidas de la enfermedad. La forma

neonatal aparece poco después del nacimiento e incluye convulsiones y retraso en el desarrollo

neurológico, presentándose la muerte en la niñez o en la primera infancia. La forma cerebral

infantil aparece en la mitad de la etapa de la niñez (de 4-8 años) y las otras formas aparecen durante la

adolescencia. Alrededor de un tercio de las personas afectadas desarrollan síntomas neurológicos

y aproximadamente la mitad desarrollan un mal funcionamiento suprarrenal.

En la forma infantil, los primeros síntomas comprenden HhiperactividadH, dificultades en la escuela,

dificultades para comprender la comunicación verbal, deterioro en la escritura, Hojos cruzados o bizcosH

(estrabismo) y posiblemente HconvulsionesH. A medida que la enfermedad avanza, aparecen nuevos

signos de daño a la Hsustancia blanca del cerebro H que incluyen cambios en el tono muscular, rigidez y

Hdeformidades por contracturaH, Hdificultades para deglutirH y HcomaH.

El otro componente principal de la forma infantil y de todas las otras formas de adrenoleucodistrofia

es el desarrollo de un deterioro muy significativo de la función suprarrenal similar a la Henfermedad de

AddisonH. En este caso, se presenta una deficiencia muy significativa de hormonas esteroides que

puede tratarse en forma adecuada con corticosteroides.

Tratamiento: La disfunción suprarrenal se trata con esteroides suplementarios tales como el cortisol.

No existe un tratamiento específico disponible para la adrenoleucodistrofia. Sin embargo, una dieta

baja en ácidos grasos de cadena larga y la administración de aceites especiales, como el aceite de

Lorenzo (en honor del hijo de la familia quien descubrió el tratamiento) han demostrado que reducen

los niveles sanguíneos de dichos ácidos. El aceite de Lorenzo es una mezcla de ácido oleico (C18:1) y

ácido erucico (C22:1). Con esta mezcla de ácidos grasos moninsaturados se logra inhibir la síntesis de

acidos grasos saturados de cadena larga. Actualmente, este régimen para el tratamiento de la

adrenoleucodistrofia está bajo evaluación.