Oxidación de Ácidos Grasos

(β-Oxidación)

Carlos I. González, Ph.D. Catedrático Asociado

Departamento de Biología Universidad de Puerto Rico – Río Piedras

CHAPTER 17: Fatty Acid Catabolism

– How fats are digested in animals

– How fats are mobilized and transported in tissues

– How fats are oxidized

– How “ketone bodies” are produced

Key topics:

source in many organisms

• About one-third of our energy needs comes from

dietary triacylglycerols

• About 80% of energy needs of mammalian heart and

liver are met by oxidation of fatty acids

• Many hibernating animals, such as grizzly bears, rely

almost exclusively on fats as their source of energy

energy from stored fatty acids

Oxidación de Ácidos Grasos (β-oxidación)

Ácidos grasos se oxidan para liberar

energía. Los e- removidos pasan a la cadena de transporte y se sintetiza ATP, los acetil CoA son oxidados a CO2 en el Ciclo de Krebs.

Fats provide efficient fuel storage

• The advantage of fats over polysaccharides:

– Fatty acids carry more energy per carbon because they are

more reduced

– Fatty acids carry less water along because they are nonpolar

• Glucose and glycogen are for short-term energy needs, quick

delivery

• Fats are for long-term (months) energy needs, good storage,

slow delivery

Estructura de los Ácidos Grasos

Glicerol y Triglicérido

Enlaces ester entre ácido grasos y glicerol. Hidrofóbico – grupos polares de ácidos grasos y glicerol envueltos en enlaces ester.

Ventajas de Grasas vs. Carbohidratos como fuente de energía:

1) Carbonos más reducidos - oxidación libera

más energía que carbohidratos. 2) Insolubles (Hidrofóbicos) - no aumenta

osmolaridad en citoplasma, no necesitan H2O para solvatar como los polisacáridos.

3) No reaccionan con componentes celulares -

se pueden almacenar en grandes cantidades.

Desventajas de Ácidos Grasos como fuente de energía: 1) Insolubilidad - antes de degradarse tienen que ser emulsificados para que enzimas solubles en el intestino puedan degradarlos. 2) Transporte - asociados a proteinas que contraresten su insolubilidad. 3) Activación con CoA antes de oxidación - contraresta su estabilidad (C-C). Fuentes de Ácidos Grasos:

1) Dieta - grasas que consumimos 2) almacenados en triglicéridos en la célula 3) sintetizados en un órgano (hígado) y transportados a otros órganos.

vertebrate small intestine

Hydrolysis of fats yields fatty acids and glycerol

• Hydrolysis of triacylglycerols is catalyzed by lipases

• Some lipases are regulated by hormones glucagon and epinephrine

• Epinephrine means: “We need energy now”

• Glucagon means: “We are out of glucose”

Hormones trigger mobilization of stored triacylglycerols

The hormones epinephrine or

glucagon are secreted in

response to low blood

glucose. This activates

adenylyl cyclase, which

produces cAMP, this

activates PKA, which in turn

activates triacylglycerol

lipase. Albumin carries 10

fatty acids per molecule in

the bloodstream.

• Glycerol kinase activates glycerol at the expense of ATP

• Subsequent reactions recover more than enough ATP to cover this cost

• Allows limited anaerobic catabolism of fats

El glicerol removido de los triglicéridos se fosforila a glicerol 3-P, se convierte en dihidroxiacetona, se isomeriza a gliceraldehído 3-P y entra a glucólisis.

• Fats are degraded into fatty acids and glycerol in the cytoplasm of adipocytes

• Fatty acids are transported to other tissues for fuel

•-oxidation of fatty acids occurs in mitochondria

• Small (< 12 carbons) fatty acids diffuse freely across mitochondrial membranes

• Larger fatty acids (most free fatty acids) are transported via acyl-carnitine/carnitine transporter

Activación de Ácido Graso a Acil-CoA

Sintetasas de Acil-CoA en la membrana externa del mitocondrio, diferentes isozimas dependen de número total de C del ácido graso y de num. de doble enlaces. Enlace tioester entre grupo carboxilo de ácido graso y grupo tiol de CoA. Rxn endergónica pero acoplada a hidrólisis de ATP. La pirofosfatasa es abundante en todas las células.

ATP + 2H2O AMP + 2Pi ΔG′o = -64.8 kJ/mol

Activación de Ácido Graso a Acil-CoA

Condensación de ácido graso con CoA es endergónico. Se hace exergónico mediante el acoplamiento de hidrólisis de ATP a 2Pi. Primero, AMP se transfiere al ácido graso y se libera PPi. El tiol de CoA desplaza el AMP y se forma el Acil CoA.

requires conversion to fatty acyl-CoA

Transporte de Acil CoA a Mitocondrio

El Acil CoA formado en la membrana externa/espacio intermembranal no puede atravesar membrana interna (depende de #C).

1) Acil CoA reacciona con carnitina en la membrana externa y forma Acil-carnitina. (Enzima- transferasa de Acil-carnitina I) Este puede cruzar la membrana interna a través de un transportador. 2) Una vez dentro, Acil-carnitina transfiere ácido graso a CoA. (Enzima - transferasa de Acil-Carnitina II). Se regenera el Acil CoA dentro del mitocondrio y la carnitina es transportada al exterior a través de su transportador.

mitochondrial matrix

Importancia de este transporte: Mantiene reservas (pools) de CoASH en el citoplasma y mitocondrio. Citoplasma - CoA se utiliza en síntesis de ácidos grasos. Mitocondrio - CoA se utiliza en oxidación de ácidos grasos, piruvato y algunos amino ácidos. Esta serie de rxns de transporte de ácidos grasos son un punto muy importante de regulación. Una vez el acil CoA está en el mitocondrio es degradado rápidamente por las enzimas de oxidación de ácidos grasos.

Tres etapas en la oxidación de ácidos grasos

β-oxidación - oxidación del carbono 3 o β Tres Etapas: 1) Se remueven sucesivamente 2 carbonos en forma de Acetil CoA (comenzando por el terminal carboxilo) 1molécula de 16 C –> 8 moléculas de AcCoA Para formar AcCoA, se remueven 4H (4 e- y 4 H+) de cada unidad de 2C. Se produce NADH y FADH2. 2) Los acetil CoA se oxidan en el Ciclo de Krebs a CO2. Esta oxidación de Ac CoA similar a oxidación de Ac

CoA que viene de glucólisis/ox. de piruvato. 3) Los NADH y FADH2 producidos en la primeras 2 etapas donan e- a cadena de transporte y se sintetiza

ATP.

The -Oxidation Pathway Each pass removes one acetyl moiety in the form of acetyl-CoA.

Cuatro pasos para formar AcetilCoA 1) 1ra deshidrogenación de acil CoA - produce doble enlace entre Cα y Cβ (C-2 y C-3). El doble enlace es

trans, distinto a ácidos grasos naturales, cis. 3 isozimas - (long chain 12-18C, middle chain 4-14C, short chain 4-8C) Dehidrogenasas de AcylCoA - tienen FAD como grupo prostético. e- removidos, pasan a FAD y son transportados al Complejo II de cadena de transporte a través de ETF (electron transferring flavoprotein). Oxidación análoga a dehidrogenasa de succinato: (enzimas - integrales; FAD aceptador de e-, transporte de e- al Complejo II; se producen 1.5 ATP; doble enlace en ácido carboxílico entre carbonos α y β)

Step 1:

• Catalyzed by isoforms of acyl-CoA dehydrogenase (AD) on the inner-mitochondrial membrane – Very-long-chain AD (12–18 carbons) – Medium-chain AD (4–14 carbons) – Short-chain AD (4–8 carbons)

• Results in trans double bond, different from naturally occurring unsaturated fatty acids

• Analogous to succinate dehydrogenase reaction in the citric acid cycle – Electrons from bound FAD transferred directly to the electron-

transport chain via electron-transferring flavoprotein (ETF)

2) Hidratación del doble enlace del trans Δ2-enoyl CoA.

Enzima - Hidratasa de enoyl-CoA. Se forma β-hidroxiacil CoA. Análogo a la fumarasa del Ciclo de Krebs. 3) 2nda deshidrogenación Enzima- dehidrogenasa de β-hidroxiacil CoA. Análogo a dehidrogenasa de malato, NAD es el aceptador de e-. NADH dona e- a Complejo I de cadena de transporte. Se forma β-cetoacilCoA. 4) Rompimiento - tiolasa o acil CoA acetil transferasa. Promueve rxn entre β-cetoacilCoA y 1 CoA libre y se liberan los últimos 2 C (desde grupo carboxilo) como Acetil CoA (“Claisen Ester Cleavage”). El otro producto es Acil CoA reducido en 2 carbonos.

Step 2: Hydration of Alkene

• Catalyzed by two isoforms of enoyl-CoA hydratase:

– Soluble short-chain hydratase (crotonase)

– Membrane-bound long-chain hydratase, part of trifunctional complex

• Water adds across the double bond yielding alcohol

• Analogous to fumarase reaction in the citric acid cycle

– Same stereospecificity

Steps 1 and 2

FAD Cofactor

Step 3: Dehydrogenation of Alcohol

• Catalyzed by -hydroxyacyl-CoA dehydrogenase

• The enzyme uses NAD cofactor as the hydride acceptor

• Only L-isomers of hydroxyacyl CoA act as substrates

• Analogous to malate dehydrogenase reaction in the citric acid cycle

Step 4: Transfer of Fatty Acid Chain

• Catalyzed by acyl-CoA acetyltransferase (thiolase) via covalent mechanism

– The carbonyl carbon in -ketoacyl-CoA is electrophilic

– Active site thiolate acts as nucleophile and releases acetyl-CoA

– Terminal sulfur in CoA-SH acts as nucleophile and picks up the fatty acid chain from the enzyme

• The net reaction is thiolysis of carbon-carbon bond

Resumen:

En 1 ciclo de β-oxidación se produce 1 Acetil CoA, 4e- y 4H+ son removidos del acil CoA y se acorta la cadena en 2C.

Este ciclo se repite, por un ácido graso de 16C se pasa 7 veces por el ciclo, se producen 8 AcetilCoA, 7 NADH y 7 FADH2. El AcetilCoA puede pasar al Ciclo de Krebs y oxidarse en CO2 y H2O.

Activación rompe 2 enlaces de ATP – equivalente a consumo de 2 ATP. Se producen 106 ATP netos.

Fatty Acid Catabolism for Energy

• For palmitic acid (C16) – Repeating the above four-step process six more times

(7 total) results in eight molecules of acetyl-CoA • FADH2 is formed in each cycle (7 total) • NADH is formed in each cycle (7 total)

• Acetyl-CoA enters citric acid cycle and further oxidizes

into CO2 – This makes more GTP, NADH, and FADH2

• Electrons from all FADH2 and NADH enter ETF

Each round produces an acetyl-CoA and

NADH and FADH2 serve as sources of ATP

in other metabolic pathways

Oxidación de ácidos grasos no saturados

Dobles enlaces – cis, no son sustratos de hidratasa. Transporte – idéntico, después de varios ciclos se produce un AcilCoA con un enlace cis en el C-3. La hidratasa no puede catalizar esta reacción, isomerasa de Enoyl-CoA isomeriza del cis Δ3 al trans Δ2 y luego el ciclo

continúa.

Oxidación de ácidos grasos con número impar de carbonos

La mayoría de ácidos grasos naturales – pares. Se degradan de igual manera, cuando quedan 3C se añade 1C de CO2 o su ion hidratado HCO3

- y se utiliza 1 ATP en la carboxilación. Se forma succinil CoA que puede entrar al Ciclo de Krebs.

ATP – formación de intermediario con biotina

CH2-CH2 (grupos metilenos) en ácidos grasos son muy estables. La β-oxidación los hace menos estables y facilita su rompimiento. a) Las primeras 3 reacciones hacen un enlace menos estable, el carbono α está unido a 2

carbonilos. b) grupo ceto del carbono β lo hace un buen “target” para ataque nucleofílico de parte del SH de CoA. c) la acidez del hidrógeno α y la estabilización por

resonancia del carbanion generado por la partida de este hidrógeno hacen del CH2 -C-CoA un grupo fácil de salir y facilita el rompimiento entre el enlace α y β.

Regulación de β-oxidación AcilCoAs: 1) Pueden ser oxidados en mitocondrio una vez pasan del citoplasma al mitocondrio. 2) Pueden convertirse en triglicéridos y fosfolípidos en el citoplasma. Las rutas alternas de los AcilCoA dependen de la velocidad a la cual la célula esté transfiriendo los AcilCoA del citoplasma al mitocondrio. Este transporte determina la vía que tomarán los ácidos grasos (“rate-determining event”). Una vez entran al mitocondrio son degradados.

Regulation of Fatty Acid Synthesis and Breakdown

Inhibición alostérica de la transferasa de Acil-Carnitina I por Malonil CoA. Malonil CoA - primer intermediario en síntesis de ácidos grasos (citoplasma). [MalonilCoA] aumenta cuando hay muchos carbohidratos. Permite glucólisis y aumenta síntesis y almacenamiento de ácidos grasos. Inhibe oxidación de ácidos grasos. No permite degradación y síntesis de ácidos grasos de forma simultánea. Exceso de glucosa que no se puede metabolizar o almacenar como glucógeno, se convierte en ácidos grasos y se almacena en triglicéridos. Ver Fig. 17-12.

Regulación de dos enzimas de β-oxidación: Dehidrogenasa de β-hidroxiacilCoA - inhibida por [NADH]/[NAD+] alto. Tiolasa - inhibida por [AcetilCoA] alto.

Regulación adicional a nivel de transcripción activan síntesis de enzimas de β-oxidación (minutos a horas). PPARs – Peroxisome Proliferator Activated Receptors (factores de transcripción que responden a “fatty acid-like ligands”)

Peroxisomas - ocurre β-oxidación similar al mitocondrio, pero hay algunas diferencias. Los pasos son idénticos: 1) deshidrogenación, 2) hidratación, 3)oxidación de β-hidroxiacil a cetona, 4) rompimiento. La diferencia es en la dehidrogenasa del 1er paso. Los electrones aceptados por la flavoproteína pasan directamente a O2 produciendo H2O2. No pasan a la cadena de transporte como en el mitocondrio. En el segundo paso NADH es exportado al citoplasma y eventualmente entra al mitocondrio (aspartato-malato shuttle). Glioxisomas- semillas de plantas, activos en enzimas que convierten grasas almacenadas a carbohidratos por el ciclo de glioxilato.

-Oxidation in Mitochondria vs. Peroxisomes or

Glyoxysomes

Acetyl-CoA in the glyoxysome is then

-Oxidation in Plants Occurs Mainly in Peroxisomes

• Mitochondrial acyl-CoA dehydrogenase passes electrons into respiratory chain via electron-transferring flavoprotein – Energy captured as ATP

• Peroxisomal/glyoxysomal acyl-CoA dehydrogenase passes electrons directly to molecular oxygen – Energy released as heat – Hydrogen peroxide eliminated by catalase

Cuerpos Cetónicos En algunos tejidos, como en el hígado, el acetil CoA producto de β-oxidación puede: 1) entrar al Ciclo de Krebs o 2) convertirse en cuerpos cetónicos Cuerpos cetónicos - compuestos solubles como acetona, acetoacetato, D-β- hidroxibutarato. En personas bien nutridas - nivel de cuerpos cetónicos bien bajo. En personas con diabetes o en dietas bien bajas en carbohidratos (ayuno, Atkins) es que incrementa la formación de cuerpos cetónicos. En estas personas se acumula el acetil CoA. Cómo se forman los cuerpos cetónicos?

Formación de Cuerpos Cetónicos (Matrix del Mitocondrio de Células Hepáticas)

Condensación 2 AcCoA, Rxn reversible de β-ox.

Condensación con otro AcCoA.

Acetoacetato se decarboxila a acetona (olor peculiar en los diabéticos)

Rompimiento de HMG-CoA en Acetoacetato y AcCoA

Reducción de Acetoacetato

Los cuerpos cetónicos son transportados en la sangre a otros tejidos (músculo, corazón, corteza adrenal) y son utilizados como fuente de energía. Aquí son oxidados via el Ciclo de Krebs.

Oxidación a acetoacetato rxn reversible

Activación de acetoacetato

Rompimiento

Ausente en el hígado

Formation of Ketone Bodies

• Entry of acetyl-CoA into citric acid cycle requires oxaloacetate

• When oxaloacetate is depleted, acetyl-CoA is converted into ketone bodies – Frees Coenzyme A for continued

β-oxidation

• The first step is reverse of the last step in the -oxidation: thiolase reaction joins two acetate units

Formation of Ketone Bodies

Formation of Ketone Bodies

La formación de cuerpos cetónicos y el transporte a otros tejidos permite la continua oxidación de ácidos grasos en el hígado aún cuando el acetil CoA no se está oxidando por el Ciclo de Krebs en células hepáticas. En dieta baja en carbohidratos o en ayuno, gluconeogénesis se activa y la concentración de oxaloacetato y otros intermediarios del Ciclo de Krebs baja. Por consiguiente el acetil CoA no se puede oxidar en el Ciclo de Krebs. En estos casos aumenta la formación de cuerpos cetónicos.

• Production of ketone bodies increases during starvation (and diabetes)

• Ketone bodies are released by liver to bloodstream

• Organs other than liver can use ketone bodies as fuels

• High levels of acetoacetate and -hydroxybutyrate lower blood pH dangerously (acidosis)

Regulación de transporte de glucosa por insulina

Esto sucede también en diabetes. La insuficiencia de insulina no permite a los tejidos absorber glucosa de forma eficiente como fuente de energía o para convertir en grasas almacenadas. En estas condiciones Malonil CoA no se forma y no inhibe la transferasa de acil carnitina. Ácidos grasos entran al mitocondrio del hepatocito para ser degradados por el ciclo de Krebs, pero el acetil CoA no se puede oxidar. Los intermediarios del Ciclo de Krebs están siendo utilizados en gluconeogénesis. Se acumula el acetilCoA y se forman cuerpos cetónicos. Niveles elevados bajan pH de la sangre y crean acidosis.

Atkins Diet

Atkins Diet

• Naturally occurring Unsaturated Fatty acids contain cis double bonds – Are NOT a substrate for enoyl-CoA hydratase

• Two additional enzymes are required – Isomerase: converts cis double bonds starting at carbon 3

to trans double bonds – Reductase: reduces cis double bonds not at carbon 3

• Monounsaturated fatty acids require the isomerase • Polyunsaturated fatty acids require both enzymes

Oxidation of Polyunsaturated

Fatty Acids

Oxidation of odd-numbered fatty acids

• Most dietary fatty acids are even-numbered

• Many plants and some marine organisms also synthesize

odd-numbered fatty acids

• Propionyl-CoA forms from -oxidation of odd-numbered

fatty acids

• Bacterial metabolism in the rumen of ruminants also

produces propionyl-CoA

Oxidation of Propionyl-CoA

Carboxylation of Propionyl-CoA

Isomerization to Succinyl-CoA CAC

requires coenzyme B12

Complex Cobalt-Containing Compound: Coenzyme B12

Release of Free Coenzyme A

Chapter 17: Summary

• Fats are an important energy source in animals

• Two-carbon units in fatty acids are oxidized in a four-step -

oxidation process into acetyl-CoA

• In the process, a lot of NADH and FADH2 forms; these can yield

a lot of ATP in the electron-transport chain

• Acetyl-CoA formed in the liver can be either oxidized via the

citric acid cycle or converted to ketone bodies that serve as

fuels for other tissues

In this chapter, we learned: