Metabolisme UB: apunts de lípids i cicle de la urea

Tema 1: Lípids i lipoproteïnes — Estructura lipídica i lipoproteïnes plasmàtiques

Els lípids constitueixen un grup heterogeni de biomolècules insolubles en aigua i solubles en dissolvents orgànics apolars que desenvolupen tres funcions fonamentals en els organismes animals: reserva energètica concentrada, suport estructural de les membranes biològiques i senyalització cel·lular o regulació endocrina. En el context nutricional, cal diferenciar clarament entre un aliment (el producte natural o transformat que s'ingereix) i un nutrient (la substància química concreta que les cèl·lules aprofiten metabòlicament). Els nutrients es classifiquen en nutrients energètics (com els triacilglicerols i els àcids grassos, que aporten combustible per generar ATP) i nutrients estructurals (com els fosfolípids, els esfingolípids i el colesterol lliure, indispensables per a la integritat cel·lular).

Classificació i propietats dels lípids biològics

Segons la seva mida molecular i el seu grau de polaritat, els lípids dels teixits animals es distribueixen en dues grans categories:

• Lípids de mida mitjana: inclouen els cossos cetònics (molècules solubles de 4 carbonis produïdes al fetge, com l'acetoacetat i el D-β-hidroxibutirat), els àcids grassos (cadenes hidrocarbonades lineals d'entre 10 i 24 carbonis), el colesterol lliure (27 carbonis, d'estructura esteroide rígida) i els esteroides derivats (hormones de 18 a 21 carbonis).
• Lípids de mida gran o complexos: destaquen els triacilglicerols (57 carbonis en la seva forma típica de triestearina/trioleïna), els èsters de colesterol (45 carbonis), els fosfolípids (al voltant de 39 carbonis), els esfingolípids i els glucolípids, aquests últims components amfipàtics essencials de les bicapes.

Els àcids grassos són molècules amfipàtiques formades per una cua hidrocarbonada apolar i un cap polar carboxílic (-COOH, en el carboni $\text{C}_1$). A pH fisiològic, el grup carboxil es troba ionitzat en forma de carboxilat ($\text{-COO}^-$), cosa que els atorga propietats detergents potencialment tòxiques per a les membranes si circulen sense control. Per aquest motiu, o bé es troben esterificats amb glicerol (en triacilglicerols i fosfolípids) o bé viatgen units no covalentment a proteïnes sèriques com l'albúmina (àcids grassos no esterificats o NEFA; vegeu «Tema 1: Lípids i lipoproteïnes — Lipòlisi tissular i transport de colesterol»).

Dins dels àcids grassos insaturats, els dobles enllaços biològics presenten configuració espacial cis. Segons la posició del primer doble enllaç comptant des de l'extrem metil terminal ($\omega$ o $n$), s'estableixen tres sèries fonamentals (la base enzimàtica de la seva essencialitat i la síntesi dels seus derivats es desenvolupen a «Tema 3: Biosíntesi de lípids — Modificació d'àcids grassos i síntesi de colesterol»):

• Sèrie $\omega$-9: com l'àcid oleic ($\text{C18:1 } \Delta^9$ o $n\text{-}9$), no essencial perquè l'organisme disposa d'enzims desaturasa capaços d'introduir la insaturació en $\text{C}_9$.
• Sèrie $\omega$-6: encapçalada per l'àcid linoleic ($\text{C18:2 } \Delta^{9{,}12}$ o $n\text{-}6$), nutrient essencial vegetal (requeriment diari d'aproximadament l'1 % de la ingesta calòrica). És el precursor de l'àcid araquidònic ($\text{C20:4 } n\text{-}6$), d'on deriven eicosanoides de caràcter predominantment proinflamatori, vasoconstrictor i protrombòtic (prostaglandines i tromboxans de sèrie parella).
• Sèrie $\omega$-3: encapçalada per l'àcid $\alpha$-linolènic ($\text{C18:3 } \Delta^{9{,}12{,}15}$ o $n\text{-}3$), nutrient essencial present en llavors i peix blau (requeriment diari al voltant del 0,2 %). Origina l'àcid eicosapentaenoic (EPA, $\text{C20:5 } n\text{-}3$) i el docosahexaenoic (DHA, $\text{C22:6 } n\text{-}3$), generadors d'eicosanoides de perfil antiinflamatori, vasodilatador i antitrombòtic.

D'altra banda, el colesterol posseeix un anell tetracíclic rígid (ciclopentanoperhidrofenantrè) amb un únic grup hidroxil polar en $\text{C}_3$. Quan aquest hidroxil s'esterifica amb un àcid gras, es forma un èster de colesterol, el qual perd qualsevol caràcter amfipàtic i esdevé un lípid purament hidrofòbic destinat a l'emmagatzematge intern de partícules o al transport centralitzat.

Digestió i absorció gastrointestinal dels lípids

Atesa la naturalesa insoluble dels lípids en el medi aquós gastrointestinal, la seva assimilació requereix un procés combinat d'emulsió mecànica, acció de detergents biològics i catàlisi enzimàtica interfacial:

1. Emulsió per sals biliars: Les sals biliars (àcids còlic i quenodesoxicòlic conjugats amb glicina o taurina), secretades pel fetge cap a la llum del duodè, actuen com a tensioactius reduint la tensió superficial de les gotes lipídiques dietètiques i augmentant la superfície exposada a l'atac enzimàtic.
2. Digestió per la lipasa pancreàtica i colipasa: La lipasa pancreàtica requereix el polipèptid colipasa per ancorar-se a la interfície aigua-oli de la gota emulsionada en presència de sals biliars. Hidrolitza preferentment els enllaços èster de les posicions 1 i 3 dels triacilglicerols, generant 2 àcids grassos lliures i un 2-monoacilglicerol (MAG).
3. Formació de micel·les mixtes: Els productes de la hidròlisi s'associen amb colesterol, fosfolípids i sals biliars per formar micel·les mixtes termodinàmicament estables d'uns 4 a 6 nm, capaces de travessar la capa d'aigua no agitada que cobreix la mucosa intestinal.
4. Captació enterocitària i reesterificació: Els àcids grassos i els monoacilglicerols s'internalitzen a l'enteròcit mitjançant difusió simple i transportadors de membrana (com CD36 i proteïnes FATP). Dins del reticle endoplasmàtic de l'enteròcit, es reesterifiquen ràpidament a triacilglicerols per ser empaquetats en quilomicrons.

Estructura macromolecular de les lipoproteïnes plasmàtiques

Com que els triacilglicerols i els èsters de colesterol no poden dissoldre's en el plasma sanguini, el seu transport es realitza mitjançant pseudomicel·les esfèriques denominades lipoproteïnes plasmàtiques. La seva arquitectura comprèn:

• Una monocapa superficial amfipàtica: constituïda per fosfolípids amb els seus grups polars orientats cap a l'aigua extracel·lular, colesterol lliure intercalat i proteïnes específiques anomenades apolipoproteïnes.
• Un nucli hidrofòbic central: que conté exclusivament lípids apolars neutres: triacilglicerols i èsters de colesterol.

Les cèl·lules també poden emmagatzemar lípids al citosol en estructures anàlogues anomenades gotes lipídiques (lipid droplets). Mentre que les gotes lipídiques dels hepatòcits són petites i disperses, els adipòcits del teixit adipós blanc contenen una gran gota unilocular que conté un 99 % de triacilglicerols i és pràcticament anhidra, comprimint el citoplasma i desplaçant el nucli cap a la perifèria.

Les lipoproteïnes es classifiquen en funció de la seva densitat de flotació en ultracentrifugació, diàmetre i mobilitat electroforètica. Com més gran és el diàmetre de la partícula, més gran és la proporció de lípids del nucli respecte a la proteïna de superfície, i per tant menor és la seva densitat.

Apolipoproteïnes i vies de captació tissular

Les apolipoproteïnes són proteïnes amfipàtiques situades a la superfície de les lipoproteïnes que acompleixen tres funcions primordials: estabilitzar l'estructura micel·lar en medi aquós, actuar com a cofactors activadors o inhibidors d'enzims vasculars, i funcionar com a lligands específics reconeguts per receptors cel·lulars.

La captació d'LDL per les cèl·lules perifèriques i el fetge s'efectua mitjançant un mecanisme clàssic d'endocitosi mediada per receptor:

1. Reconeixement i unió: L'Apo B-100 intacta de la partícula LDL s'uneix amb alta afinitat al receptor de LDL concentrat en depressions de la membrana plasmàtica recobertes de clatrina.
2. Invaginació i formació de vesícules: La membrana s'invagina per originar una vesícula coberta de clatrina, que ràpidament perd el seu recobriment proteic per transformar-se en un endosoma primerenc.
3. Dissociació pel pH àcid: Una bomba de protons acidifica l'interior de l'endosoma (pH $\approx 5{,}0$), provocant un canvi conformacional que dissocia l'LDL del seu receptor. El receptor es recicla a la membrana plasmàtica.
4. Fusió lisosomal i hidròlisi: L'LDL és conduïda al lisosoma primari, on proteases àcides degraden l'Apo B-100 en aminoàcids individuals, i lipases lisosomals hidrolitzen els èsters de colesterol en colesterol lliure i àcids grassos.

Idees clau

• Els lípids es classifiquen en nutrients energètics (TAG, àcids grassos) i estructurals (fosfolípids, colesterol lliure).
• Els àcids grassos essencials pertanyen a les sèries $\omega$-6 (linoleic, precursor de l'àcid araquidònic) i $\omega$-3 ($\alpha$-linolènic, precursor d'EPA i DHA).
• La digestió de triacilglicerols requereix l'emulsió per sals biliars i la catàlisi interfacial de la lipasa pancreàtica activada per colipasa, alliberant 2-MAG i àcids grassos lliures.
• Les lipoproteïnes transporten lípids insolubles mitjançant un nucli apolar (TAG i èsters de colesterol) i una monocapa amfipàtica externa (fosfolípids, colesterol lliure i apolipoproteïnes).
• Els quilomicrons i les VLDL transporten triacilglicerols, mentre que les LDL i les HDL transporten principalment colesterol i els seus èsters.
• L'endocitosi de les LDL depèn de la interacció d'Apo B-100 amb el receptor de LDL; quan les LDL s'oxiden, són captades per receptors escombriaire dels macròfags, generant cèl·lules escumoses i ateroma.

Posa a prova el que has après

1. Quin lípid predominant constitueix el nucli hidrofòbic dels quilomicrons acabats de sintetitzar? — Triacilglicerols
2. Quina apolipoproteïna actua com a activador essencial de la lipoproteïna lipasa endotelial? — Apo C-II
3. Quin àcid gras poliinsaturat és el precursor directe dels eicosanoides proinflamatoris de sèrie parella? — Àcid araquidònic
4. Quina alteració pateix una LDL perquè sigui fagocitada pels macròfags formant la placa d'ateroma? — Oxidació química de lípids i proteïna

Tema 1: Lípids i lipoproteïnes — Lipòlisi tissular i transport de colesterol

1. Visió global del catabolisme dels triacilglicerols: lipòlisi intra i extracel·lular

La lipòlisi és el procés hidrolític mitjançant el qual es trenquen els enllaços èster dels triacilglicerols (TAG), alliberant àcids grassos i glicerol. Atès que els lípids neutres constitueixen el principal reservori energètic de l'organisme, la seva mobilització i assimilació depèn d'un sistema enzimàtic altament coordinat que opera en dos escenaris biològics radicalment diferents:

Secció completa amb Premium

Idees clau

• na aliqua ut enim ad minim veniam quis nostrud exercitation ullamco laboris nisi ut aliquip ex ea commodo consequat lorem ipsum dolor sit amet consectetur
• s nostrud exercitation ullamco laboris nisi ut aliquip ex ea commodo consequat lorem ipsum dolor sit amet consectetur adipiscing elit sed do eiusmod
• s nisi ut aliquip ex ea commodo consequat lorem ipsum dolor sit amet consectetur adipiscing elit sed do eiusmod tempor incididunt ut labore et dolore magna aliqua
• quat lorem ipsum dolor sit amet consectetur adipiscing elit sed do eiusmod tempor incididunt ut labore et dolore magna aliqua ut enim ad minim v
• ctetur adipiscing elit sed do eiusmod tempor incididunt ut labore et dolore magna aliqua ut enim ad minim veniam quis nostrud exercitation ullamco laboris nisi ut

Tema 2: Catabolisme lipídic — Activació i transport mitocondrial d'àcids grassos

El catabolisme dels lípids constitueix la font d'energia primària en situacions de dejuni perllongat, exercici aeròbic i adaptació a dietes baixes en glúcids. No obstant això, abans que els àcids grassos puguin entrar a les rutes degradatives matricials com la beta-oxidació, requereixen ser captats per la cèl·lula diana, activats metabòlicament i transportats a través del complex sistema de membranes mitocondrials.

Captació cel·lular i trànsit citosòlic dels àcids grassos

Els àcids grassos no esterificats (NEFA) alliberats per la lipòlisi circulen en plasma units de forma no covalent a l'albúmina sèrica (com s'ha vist en «Tema 1: Lípids i lipoproteïnes — Lipòlisi tissular i transport de colesterol»). En arribar als capil·lars dels teixits consumidors (com ara el múscul cardíac, el múscul esquelètic o el fetge), els àcids grassos es dissocien de l'albúmina per establir un equilibri amb la fracció lliure en fase aquosa, la concentració de la qual es manté en nivells inferiors a $1\text{ }\mu\text{M}$.

El pas a través de la membrana plasmàtica implica dos mecanismes complementaris:

• Difusió passiva simple: Gràcies al seu caràcter hidrofòbic, els àcids grassos poden inserir-se a la bicapa lipídica. Tanmateix, mentre que el desplaçament lateral d'un àcid gras és extraordinàriament ràpid (de l'ordre de $2\text{ }\mu\text{m/s}$), la inversió de cara o moviment de translocació transversal (flip-flop) és termodinàmicament desfavorable i molt lenta a causa de la repulsió del cap polar carboxilat ($-\text{COO}^-$).
• Difusió facilitada per proteïnes transmembrana: Proteïnes específiques de membrana faciliten la internalització cel·lular. S'han descrit dos models fonamentals: el Model A, en què la proteïna funciona com un canal translocador aquós que condueix directament el substrat, i el Model B, en què el transportador catalitza selectivament el flip-flop entre les dues monocapes de la membrana lipídica.

Un cop al citosol, els àcids grassos no romanen dispersos de manera lliure, ja que la seva naturalesa amfipàtica generaria un efecte detergent nociu per a la integritat de les membranes cel·lulars. Per neutralitzar aquest perill i canalitzar el seu destí metabòlic, s'associen immediatament a les proteïnes d'unió a àcids grassos citosòliques (FABP, Fatty Acid Binding Proteins), que escorten les cadenes hidrocarbonades fins a la membrana mitocondrial externa (MME) o cap a les gotes lipídiques de reserva.

Estructura química i bioenergètica del coenzim A i els acil-CoA

Perquè un àcid gras participi en rutes anabòliques o catabòliques, cal activar el seu extrem carboxílic mitjançant la formació d'un enllaç amb el coenzim A (CoA-SH). El coenzim A és una biomolècula complexa d'alt pes molecular constituïda per tres regions funcionals:

1. Grup reactiu tiol ($-\text{SH}$): Procedent de la $\beta$-mercaptoetilamina, és el centre nucleòfil responsable de formar l'enllaç tioèster amb el grup acil.
2. Àcid pantotènic (vitamina B5): Actua com un braç flexible d'unió que separa el cap reactiu del nucli nucleotídic.
3. 3'-fosfoadenosina difosfat: Un fragment nucleotídic d'ADP amb un grup fosfat esterificat a la posició 3' de la ribosa, que aporta càrregues negatives i permet el reconeixement específic per part dels enzims metabòlics.

Aquest elevat potencial de transferència d'acil fa que els acil-CoA siguin molècules termodinàmicament «activades», capaces de transferir el grup carboxílic a diversos acceptors biològics sense requerir aportacions energètiques addicionals.

Activació termodinàmica dels àcids grassos: Acil-CoA sintetasa

La reacció d'activació té lloc principalment a la cara citosòlica de la membrana mitocondrial externa (així com al reticle endoplasmàtic i als peroxisomes) i és catalitzada per l'enzim acil-CoA sintetasa (o àcid gras tiocinasa), el qual presenta diferents isoformes segons la llargada de la cadena hidrocarbonada (curta, mitjana, llarga o molt llarga):

Aquest procés transcorre mecànicament en dos passos consecutius:

1. Adenilació de l'àcid gras: L'oxigen carboxilat ataca el fòsfor $\alpha$ de l'ATP, formant un intermediari d'alta energia anomenat acil-adenilat (acil-AMP) lligat fortament al centre actiu de l'enzim, amb l'alliberament simultani de pirofosfat inorgànic ($\text{PP}_i$).
2. Tioesterificació amb coenzim A: El grup tiol lliure de la CoASH realitza un atac nucleofílic sobre el carboni carbonílic de l'acil-AMP, desplaçant l'AMP com a grup sortint i consolidant l'enllaç tioèster de l'acil-CoA.

La reacció catalitzada per la sintetasa és pròxima a l'equilibri ($\Delta G^{\circ\prime} \approx 0\text{ kJ/mol}$). Per aconseguir que la reacció sigui irreversible i fortament exergònica en condicions cel·lulars, intervé l'enzim pirofosfatasa inorgànica, que hidrolitza ràpidament el pirofosfat a dues molècules d'ortofosfat ($\text{P}_i$):

Un cop sintetitzat, l'acil-CoA citosòlic pot unir-se transitòriament a proteïnes transportadores citosòliques d'acil-CoA (ACBP) per ser derivat cap a la síntesi de triacilglicerols o bé penetrar lliurement a través de les porines de la membrana mitocondrial externa fins a arribar a l'espai intermembrana.

El sistema llançadora de carnitina (CPT-I, CACT i CPT-II)

Mentre que la membrana mitocondrial externa és porosa i permeable a petites molècules gràcies a la presència de porines, la membrana mitocondrial interna (MMI) és completament impermeable a molècules amb càrrega com el coenzim A i els seus derivats acílics de cadena llarga (>10C). Per transferir els grups acil a la matriu mitocondrial es requereix un dispositiu molecular especialitzat: la llançadora de carnitina.

La L-carnitina (L-3-hidroxi-4-trimetilaminobutirat) és un derivat amoni quaternari sintetitzat al fetge i al ronyó a partir de l'aminoàcid lisina. Els teixits amb elevada demanda oxidativa, com el cor i el múscul esquelètic, no en tenen capacitat de síntesi endògena i depenen estrictament de la seva captació circulant. El cicle de transport es desenvolupa en quatre fases coordenades:

1. Transesterificació a l'espai intermembrana: L'enzim carnitina palmitoiltransferasa I (CPT-I o CAT-I), ancorat a la membrana mitocondrial externa amb accés des de l'espai intermembrana, catalitza la transferència del grup acil de l'acil-CoA al grup hidroxil de la carnitina, generant acil-carnitina i alliberant el coenzim A al reservori citosòlic.
2. Translocació a través de la MMI: La carnitina-acilcarnitina translocasa (CACT), una proteïna transportadora antiport situada a la membrana interna, introdueix l'acil-carnitina a la matriu mitocondrial intercanviant-la per una molècula de carnitina lliure procedent de la matriu.
3. Regeneració de l'acil-CoA matricial: A la cara interna de la membrana mitocondrial interna, l'enzim carnitina palmitoiltransferasa II (CPT-II o CAT-II) transfereix el grup acil de l'acil-carnitina a una molècula de coenzim A del pool matricial, generant de nou acil-CoA matricial i carnitina lliure.
4. Reciclatge de la carnitina: La carnitina alliberada a la matriu és transportada de tornada cap a l'espai intermembrana per la translocasa CACT per reiniciar un nou cicle.

La transesterificació conserva el contingut energètic de la molècula, ja que l'enllaç èster format amb el grup hidroxil de la carnitina posseeix prou energia lliure per regenerar espontàniament l'enllaç tioèster amb el CoA matricial sense despesa de noves molècules de nucleòtids.

Regulació de la carnitina palmitoiltransferasa I (CPT-I)

La CPT-I constitueix el pas limitant i principal punt de regulació del catabolisme dels àcids grassos. Està inhibida al·lostèricament pel malonil-CoA, el primer intermediari obligat de la biosíntesi d'àcids grassos generat per l'acetil-CoA carboxilasa (ACC). Aquest mecanisme impedeix que convisquin de manera simultània la síntesi i la degradació de lípids en un mateix compartiment, evitant cicles fútils destructius.

Comportament diferencial dels àcids grassos de cadena curta

A diferència dels àcids grassos de cadena llarga (>10-12 àtoms de carboni), els àcids grassos de cadena curta (<10C) i mitjana no requereixen el sistema de la llançadora de carnitina per ingressar a la matriu mitocondrial:

• Difusió passiva lliure: La seva menor mida hidrocarbonada els permet travessar fàcilment les porines de la MME i difondre a través de la membrana mitocondrial interna. Aquest transport es veu impulsat per la diferència de pH entre compartiments generada per la cadena de transport d'electrons.
• Efecte de transport de protons i desacoblament: A l'espai intermembrana, on la concentració de protons és elevada (pH més àcid), el grup carboxilat es protona a àcid carboxílic (-COOH). La forma neutra resultant és molt liposoluble i travessa la MMI per difusió passiva o moviment de flip-flop. En arribar a la matriu mitocondrial, on el pH és alcalí, l'àcid s'ionitza alliberant el protó ($\text{H}^+$) i regenerant l'anió carboxilat.

Aquesta transferència de protons des de l'espai intermembrana cap a la matriu sense transitar per l'ATP sintasa dissipa parcialment el gradient electroquímic de protons, actuant mecànicament com a agents desacobladors de la fosforilació oxidativa. Per aquesta raó, una ingestió desproporcionada d'àcids grassos de cadena curta pot induir toxicitat cel·lular en reduir el rendiment de producció d'ATP.

Un cop situats a la matriu mitocondrial, aquests àcids grassos s'activen directament a acil-CoA mitjançant acil-CoA sintetases intramitocondrials específiques, incorporant-se directament a la maquinària de la beta-oxidació (vegeu «Tema 2: Catabolisme lipídic — Beta-oxidació mitocondrial i peroxisomal»).

Idees clau

• Els àcids grassos circulants units a l'albúmina són captats per difusió passiva i transport facilitat, i s'associen a les proteïnes FABP per evitar efectes detergents al citosol.
• El coenzim A conté un grup tiol reactiu aportat per la $\beta$-mercaptoetilamina lligat a àcid pantotènic i 3'-fosfo-ADP, formant enllaços tioèster d'alt contingut energètic ($\Delta G^{\circ\prime} \approx -31{,}5\text{ kJ/mol}$).
• L'acil-CoA sintetasa activa els àcids grassos a la membrana mitocondrial externa amb un cost net equivalent a 2 enllaços rics d'ATP, gràcies a la hidròlisi impulsora del pirofosfat inorgànic per la pirofosfatasa.
• La membrana mitocondrial interna és impermeable a l'acil-CoA; el transport depèn de la llançadora de carnitina formada per CPT-I, el transportador antiport CACT i CPT-II.
• La CPT-I constitueix l'enzim limitant i regulat de la ruta, sent fortament inhibida al·lostèricament pel malonil-CoA per impedir la degradació durant la lipogènesi.
• Els àcids grassos curts (<10C) penetren a la matriu sense carnitina per difusió en la seva forma protonada, dissipant el gradient electroquímic de protons i actuant com a desacobladors.

Posa a prova el que has après

1. Quina molècula inhibeix al·lostèricament la carnitina palmitoiltransferasa I (CPT-I)? — Malonil-CoA
2. Quina funció desenvolupen les proteïnes FABP a l'interior del citoplasma cel·lular? — Transportar àcids grassos evitant el seu efecte detergent
3. Per què l'activació d'un àcid gras té una despesa equivalent a dos enllaços d'ATP? — Perquè es genera AMP i cal un altre ATP per regenerar ADP
4. Quin efecte fisiològic tenen els àcids grassos de cadena curta (<10C) a la membrana interna? — Actuen com a desacobladors del gradient de protons