Aula de Bioquímica II

Tema:

Metabolismo de Lipídeos

Prof. Dr. Júlio César BorgesDepto. de Química e Física Molecular – DQFM

Instituto de Química de São Carlos – IQSCUniversidade de São Paulo – USP

E-mail: borgesjc@iqsc.usp.br

Lipídeos

Biomoléculas insolúveis em água;Quarto principal grupo de biomoléculas;Grande diversidade química e estrutural;

Não são poliméricos, mas podem formar agregados.Várias funções 3 principais:

Papel estrutural: principal constituinte membranas biológicas

Armazenamento de energia: metabolismo energéticoFornece 80% da energia para o coração e fígado

Sinalização inter- e intracelular

Vitaminas e hormônios

Lipídeos Substâncias de origem biológica (do grego lipos, gordura);

Não poliméricos, mas podem se agregar;

Importância no Metabolismo energético ~ 2 x mais energia do que o mesmo peso seco de

glicose ou aminoácidos. Principal reserva energética metabólica a longo

prazo. Inércia química e baixa osmolaridade

Balanço energético da célula Demanda de energia Degradação -

Catabolismo Excesso de energia Síntese - Anabolismo

Envolvem reações de oxido-redução Diferem na direção e enzimas, localização

celular, doador/aceptor de elétrons

Adipócitos: especializados na síntese e armazenamento de triacilgliceróis;

Tecido adiposo: Abundante na camada subcutânea e cavidade

abdominal; Pode suprir a necessidade energética por alguns meses;

Isolamento térmico

Estratégia geral do catabolismo de ácidos graxos Degradação por remoção sequencial de unidades de 2 carbonos

Experimento de Franz Knoop (1904)- Marcação de ácidos graxos no último carbono com ácido benzoico

Hipótese da β-oxidação Clivagem entre o carbono

α e β

1º Etapa: β-oxidação- 4 reações enzimáticas remoção sequencial de Acetil-CoA

- Local: Matriz mitocondrial

Oxidação de ácidos graxos 3 Etapas

A mobilização de ácidos Graxos- Ação hormonal mobilizam ácidos graxos dos ADIPÓCITOS para o catabolismo

Adrenalina ou GlucagonFormação de FFA“Free Fatty acids”

1) Resposta a hormônios2) Via cAMP PKA

3) PKA fosforila e ativa a lipase sensível a hormônios (HSL)4) Fosforilação da Perilipina5) Liberação da CGI, que se

associa e ativa a lipase ATGL (adipose triacilglicerol lipase)

7) A Pi-HSL interage com a gotícula via Pi-perilipina

6) e 8) Ação conjunta da ATGLe Pi-HSL libera ácidos graxos

no citoplasma9) Os FFA atingem a corrente sanguínea e interage com a albumina sérica na razão de

10:1

Catabolismo de Triacilgliceróis Hidrólise da ligação éster entre o ácido graxo e glicerol

Triacilglicerol

LipasesGlicerol

Ácidos graxos

Ácidos graxos livres corrente sanguínea – Albumina músculo, coração e fígado Taxa de hidrólise de triacilglicerídeos regula o catabolismo de ácidos graxos

95% da energia de um triacilglicerol reside nos ácidos graxos ~5% no glicerol

A ativação de Ácidos Graxos cadeia longa1º etapa para o transporte para a mitocôndria

Reação de acilação de ácidos graxos C >12 é dependente de ATP Catalisada pelas Acil-CoA-sintetases – Tiocinases isoenzima citosólica

Reação em duas etapas:1) 1o ataque nucleofílico

Formação do anidrido misto Acil adenilato Saída de

Pirofosfato

2) 2o Ataque nucleofílico do grupo sulfidril da CoA Reação reversível

Pirofosfatase inorgânica dirige a termodinâmica da etapa

Irreversível

Duas ligações Pi de “alta energia” são consumidas

A β-oxidação ocorre na mitocôndria! Transporte do Acil-CoA C > 12 pela membrana mitocondrial interna

Ácidos graxos com C ≤ 12 tem livre trânsito na MMI

- Transferência via Carnitina- Catalisada pelas isoenzimas Carnitina-palmitoil-transferases- A reação ocorre próxima ao equilíbrio

Ligações de energia livre de hidrólise similar- Mantém o balanço de CoA citosólica e mitocondrial- Transporte do ácido graxo para mitocôndria é ponto de regulação

A β-oxidação ocorre na mitocôndria! Uma translocase transporta a Acil-carnitina pela membrana mitocondrial interna

Proteína carreadora de carnitina

Carnitina-palmitoil-transferase I Ponto de controle por inibição

- Malonil-CoA

Carnitina-palmitoil-transferase II Transporte passivo

- Segue o gradiente de concentração

A estratégia da β-oxidação! 4 reações enzimáticas sequenciais = remoção de Acetil-CoA

1o Oxidação

3o Oxidação

2o Hidratação

4o Clivagem

Ciclos adicionais

Total: 7 Acetil-CoA

2 complexos multienzimáticostrifuncionais CANALIZAM os substratos pela via reacional

Cadeias com 12 ≥ C face interna da MMI

Cadeias com 12 ≤ C matriz mitocondrial

Repetição da mesma estratégia!Outras vias usam a mesma estratégia de oxidação

- Desestabilizar sequencialmente a ligação C—C e depois quebrar

A rota da β-oxidação! 4 Isoenzimas acil-CoA-Desidrogenase todas com FAD como coenzima

- Diferentes enzimas para tamanho de ácidos graxos diferentes- Acil-CoA-Desidrogenase de cadeias muito longas: Ácidos graxos com 12-18 C

- Acil-CoA-Desidrogenase de cadeias longas: Ácidos graxos com 10-16 C- Acil-CoA-Desidrogenase de cadeias médias: Ácidos graxos com 6-10 C- Acil-CoA-Desidrogenase de cadeias curtas: Ácidos graxos com 4-6 C

Todas estão ligadas à cadeia de transporte de elétrons- Transferência direta de e’ pela Flavoproteína de transferência de elétrons – FTE

Sem fluxo de H+ pela MMI!

A rota da β-oxidação! A reação da Tiolase – Clivagem entre o Cα – Cβ

Libera um Acetil-CoA e um Acil-CoA com 2 carbonos a menos

Mecanismo da reação

1 Ataque nucleofílico de um Tiol ativado da enzima

2 Quebra da ligação com formação de um intermediário carbânion estabilizado por ressonância e um intermediário enzima-

tioéster

3 Carbânion capta um próton da enzima e sai um Acetil-CoA e um intermediário

enzima-tioéster

A rota da β-oxidação A reação da Tiolase – Clivagem entre o Cα – Cβ

Libera um Acetil-CoA e um Acil-CoA com 2 carbonos a menos

Mecanismo da reação

4 Ataque nucleofílico de um Tiol da CoAlivre e protonação de um grupo básico na

enzima

5 Reorganização eletrônica e liberação da Acil-CoA encurtada em 2 carbonos

Termodinâmica da Degradação do palmitatoPalmitato Ácido graxo de 16 carbonos

A degradação completa de 1 mol de Palmitato (C16) após 7 ciclos na β-oxidação rende: 8 mols de Acetil-CoA

7 mols NADH 7 mols FADH2

A oxidação completa destas moléculas no Ciclo de Krebs e Cadeia Transportadora de Elétrons rende

Termodinâmica da Degradação do Palmitato! A degradação de 8 mols de Acetil-CoA no ciclo do ácido cítrico rende:

8 mols GTP = 8 mols ATP 24 mols NADH 8 mols FADH2

Somando ao rendimento na β-oxidação:

8 mols ATP 31 mols NADH 15 mols FADH2

Na cadeia transportadora de elétrons e fosforilação oxidativa:

1 mol NADH = 2,5 mol ATP 1 mol FADH2 = 1,5 mol ATP

Rendimento Total:8 mols ATP +

31 mols NADH x 2,5 77,5 mols ATP + 15 mols FADH2 x 1,5 22,5 mols ATP =

108 mols ATP

Duas ligações fosfato foram consumidas na Ativação do palmitato! RENDIMENTO final = 106 mols ATP x 30,5 kJ/mol = 3230 kJ/mol

33% do valor teórico em condições padrão ~60% da energia em condições fisiológicas

Aproximadamente 3,5 vezes ao rendimento da oxidação da glicose 1 mol de Glicose = 30-32 mols ATP

NADH + H+ + ½ O2 NAD+ + 1 H2OFADH2 + ½ O2 FAD + 1 H2O

H2O metabólica

Oxidação de ácidos graxos insaturados Existem dois tipos de “problemas” para a β-oxidação

Problema 1:Ligação dupla cis ∆3

Oxidação de ácidos graxos insaturados Os problemas são contornados por enzimas adicionais

Problema 2: Ligação dupla cis ∆4

Não é substrato para a β-oxidação

A ligação cis ∆4 inibe a Enoil-CoA hidrataseque atua somente em substratos trans

Oxidação de ácidos graxos de cadeia impar

Intermediário do ciclo do ácido

cítrico

Produto da oxidação da Met, Val e Ile

Reação radicalar incomum dependente de Cobalamina =

Vitamina B12

- Comuns em plantas dieta de mamíferos

Produto final do último ciclo da β-oxidação é Acetil-CoA e Proprionil-CoA

Regulação da oxidação de ácidos graxos- Estritamente regulada

A entrada na mitocôndria determina o destino do ácido graxo - Mitocôndria β-oxidação

- Citoplasma Conversão em triacilglicerídeos Principal ponto de regulação Carnitina-acil-transferase I

Inibição por Malonil-CoA sinaliza disponibilidade de Acetil-CoA via Glicólise

Razão alta NADH/NAD+ inibe a β-hidroxiacil-CoA-

desidrogenase

Regulação da oxidação de ácidos graxos Glucacon dispara a fosforilação, via PKA e AMPK, da Acetil-CoA-carboxilase (ACC)

= inibição da síntese de malonil-CoA no citoplasma Glucacon ativa fator de transcrição CREB no músculo, fígado e tecido adiposo

Fatores de transcrição PPARα ativam a síntese - Síntese de proteínas envolvidas na β-oxidação ativada, incluindo a Carnitina-acil

transferase I e II

Outros sítios de oxidação de ácidos graxosPeroxissomos/glioxissomos organela especializada em oxidar ácidos graxos

Animais e vegetaisDiferencia da via mitocondrial

em 3 aspectos principais

1) Ácidos graxos de cadeia > 20 C

2) 1º passo oxidativo Acil-CoA oxidade geração de

H2O2 a partir de FADH2 e O2- Não é gera ATP

- Catalase consome o H2O2

3) 2º passo oxidativo NADH deve ser exportado para ser

reoxidado

Acetil-CoA formada é exportada

Em vegetais: glioxissomos

Ciclo do glioxilatopermite uso de Acetil-CoA

como percussor Biosintético na

germinação

A ω-oxidação Ácidos graxos de 10-12C são oxidados em ambas as extremidades no retículo

endoplasmático- Fígado e rins

- Via minoritária em mamíferos importante se a β-oxidação tem falhas Envolve a oxidação do C ω usando O2 oxidase de função mista

Conta com a participação da álcool desidrogenase e aldeído desidrogenase

Oxidação em terminação dupla

Gera ácidos dicarboxilicos = succinato

Entra diretamente no ciclo de Krebs

Formação de Corpos cetônicos Ácidos graxos são os combustíveis no estado de jejum A cetogênese ocorre no fígado durante a gliconeogênese

No hepatócito Acetil-CoA sofre conversão em “corpos

cetônicos” solúveis para transporte para outros tecidos

- Permite depleção de oxaloacetato para a gliconeogênese

Formação de Corpos cetônicos Acetil-CoA é convertida em acetoacetato, D-β-

hidroxibutirato e acetona1) 1o Condensação de 2 Acetil-CoA Tiolase2) 2o Condensação de + 1 Acetil-CoA HMG-CoA-sintase3) Clivagem de 1 Acetil-CoA HMG-CoA-liase

Destinos do acetoacetato1) Redução a D-β-hidroxibutirato2) Descaboxilação espontânea para acetona

Metabolismo de Corpos Cetônicos

Os corpos cetônicos são transportados, via sanguínea, para os tecidos periféricos

na forma solúvel.

- A CoA está no fígado em quantidade limitada, a exportação de corpos cetônicos

libera CoA para oxidação contínua de ácidos graxos

Nos tecidos periféricos ocorre a conversão metabólica de corpos cetônicos

em Acetil-CoA

1) Oxidação do D-β-hidroxibutirato

2) Succinil-CoA doa o CoA para o Acetoacetato

3) Clivavem do Acetoacetil CoA pela tiolase

β-oxidação versus biossíntese de ácidos graxosApresentam 4 etapas básicas não é a simples reversão da β-oxidação

β-oxidação Clivagem de unidades de 2 carbonosBiossíntese Condensação de unidades de 2 carbonos

ACP = Proteína Carreadora de Acila

Oxidação

Oxidação

Hidratação Desidratação

Redução

Redução

CondensaçãoClivagem

A Ativação do Acetil-CoA Carboxilação da Acetil-CoA Malonil-CoA

- Carreador de Acetil-CoA ativado para incorporação no AG crescente

Acetil-CoA-Carboxilase - ACC- Mecanismo similar da piruvato-carboxilase

- Proteína multifuncional1) Proteína carreadora de Biotina

- Biotina, ligada ao Cε de uma Lys, como grupo prostético= Transportador de CO2 ativado

- Permite visitar os diferentes sítios reacionais2) Biotina carboxilase

- Requer 1 ATP como fonte de energia para ativar a biotina3) Transcarboxilase

Transfere o CO2 da Biotina para o Acetil-CoA

- Sítio de controle hormonal e alostérico- Inibida Fosforilação via AMPc Glucagon, epinefrina e

norepinefrina- Ativada por fosfatases dependentes de Insulina

Malonil-CoA inibe a Carnitina palmitoil transferase I

Proteína carreadora de acila = ACP

Acyl carrier protein

- Proteína de 10 kDa

- Grupo fosforil da fosfopanteteína é esterificada a uma Ser

- Ancora o ácido graxo crescente para a reação com o Malonil-CoA

Síntese sequencial de AGÁcido Graxo Sintase I (AGS I) vertebrados e fungos

Polipeptídeo multifuncional 240 kDa é um homodímero 7 domínios funcionais canalização dos substratos ligados covalentemente

6 atividades catalíticas (Tioesterase não é mostrada)

Síntese sequencial de AG- Em mamíferos

- Adição sequencial de unidades de C2

IniciaçãoCarregamento da ACP com malonil e da KS

com Acetil Ciclos de Elongação

1) Condensação 2) Redução

3) Desidratação 4) Redução

5) Translocação 6) Entrada de Malonil

Terminação Palmitoil-tioesterase

7 vezes

Síntese sequencial de AGÁcido Graxo Sintase I

Ciclos de Elongação1) Condensação β-cetoacil-ACP-sintase

2) 1º redução β-cetoacil-ACP-reductase

3) Desidratação β-cetoacil-ACP-desidratase

4) 2º redução Enoil-ACP- redutase

5) Translocação malonil/acetil-CoA-ACP-transferase

6) Entrada de Malonil malonil/acetil-CoA-ACP-transferase

IniciaçãoCarregamento da ACP com malonil

e da KS com Acetil

Síntese sequencial de AG!Balanço energético para a síntese de palmitoil.

Custo da ativação: 7 Acetil-CoA + 7 CO2 + 7 ATP 7 Malonil-CoA + 7 ADP + 7 Pi

7 Ciclos de condensação, desidratação e dupla redução:1 Acetil-CoA + 7 Malonil-CoA + 14 NADPH + 14 H+ 1 Palmitoil + 7 CO2 + 8 CoA + 14 NADP+ + 6 H2O

Balanço global8 Acetil-CoA + 7 ATP + 14 NADPH + 14 H+ 1 Palmitoil + 8 CoA + 7ADP + 7 Pi + 14 NADP+ + 6 H2O

Potencial redutorEnergia Química para

ativação do Malonil-CoA

A Biossíntese de AG ocorre no citoplasma1) Presença de todas as enzimas

2) Alta razão NADPH/NADP+ 75 em hepatócitos via pentose-fosfato e enzima málica- NADH/NAD+ 0,0008 permite glicólise ocorrer concomitantemente

A Biossíntese de AG ocorre no citosol!

Piruvato sofre descarboxilação

oxidativa na mitocôndria

- Ação da piruvato-desidrogenase

Transporte do acetil-CoA da

mitocôndria para o Citosol

Via Sistema de transporte de

tricarboxílico: Citrato:Malato

- Transfere unidades Acetil- da

mitocôndria para o citoplasma

- Sistema pode transferir força redutora

da mitocôndria para o citoplasma

Regulação da Biossíntese de ácidos graxos Citrato sinaliza combustível disponível na mitocôndria ativador alostérico da

Acetil-CoA-carboxilase (ACC) - Inibe a fosfofrutoquinase I na via glicolítica

Palmitoil, produto final da biossíntese, inibe a ACC Insulina ativa fosfatase que desfosforila a ACC ativando-a formação de malonil-CoA

= inibição da Carnitina-acil-transferase I Glucacon dispara a fosforilação, via PKA e AMPK, da ACC

= inibição da síntese de malonil-CoA no citoplasma

Os destinos do Palmitoil

Precursor para a biossíntese de outros AG- estearato

- Sistema de alongamento de ácidos graxos- Envolve enzimas específicas do RE- Acetil-CoA na forma de Malonil-CoA

InsaturaçõesPalmitato e estearato são precursores para os

equivalentes monoinsaturados

Poli-insaturações plantas e bactérias- AG essenciais

- Precursores dos eicosanoides

Biossíntese de triacilglicerois Um indivíduo de 70 kg tem 15 kg de gordura

- Suficiente para 12 semanas de vida- Toda a energia sobressalente disponível em glicídios e proteínas

é armazenada na forma de triacilglicerídeos

Controle hormonal