miniatura|dereita|L-Carnitina.Nome IUPAC: 3-hidroxi-4-(trimetilazaniumil)butanoato.Outros nomes: 3-hidroxi-4-(trimetilamonio)butanoato ChemSpider Carnitine .Número CAS: 541-15-1.Código ATC: A16AA01 (forma L).
A carnitina PubChem compound CarnitineCHEBI Carnitine é un composto de amonio cuaternario biosintetizado a partir dos aminoácidos lisina e metionina. Nas células vivas, requírese para o transporte de ácidos graxos desde o citosol á mitocondria durante a degradación dos lípidos para a xeración de enerxía metabólica.Fraenkel, G.; Friedman, S. Carnitine. Vitam. Horm. 1957, 15, 73–118.Bremer, J. Carnitine – metabolism and functions. Physiol. Rev. 1983, 63, 1420–1480.Steiber, A.; Kerner, J.; Hoppel, C. L. Carnitine: a nutritional, biosynthetic, and functional perspective. Mol. Aspects Med. 2004, 25, 455–473. Tamén está dispoñible como suplemento nutricional. A carnitina foi descuberta como un factor de crecemento para os vermes da carne (larvas do escaravello Tenebrio molitor) e foi inicialmente denominada vitamina Bt. Hai dous estereoisómeros da carnitina: A súa forma bioloxicamente activa é a L-carnitina, en tanto que o seu enantiómero, D-carnitina, é bioloxicamente inactivo.
Bioquímica Biosíntese Nos animais a biosíntese da carnitina ocorre principalmente no fígado e riles a partir dos aminoácidos lisina (a través da trimetillisina) e metionina. A vitamina C (ácido ascórbico) é esencial para a síntese de carnitina. Durante o crecemento ou o embarazo, os requirimentos de carnitina poden exceder a súa produción natural.
Nos humanos e outros animais, a L-carnitina obtense tanto de dieta coma da biosíntese endóxena.Rebouche, C. J. Carnitine function and requirements during the life cycle. FASEB J. 1992, 6, 3379–3386.Lennon, D. L.; Shrago, E. R.; Madden, M.; Nagle, F. J.; Hanson, P. Dietary carnitine intake related to skeletal muscle and plasma carnitine concentrations in adult men and women. Am. J. Clin. Nutr. 1986, 43, 234–238. A ruta de biosíntese da carnitina está moi conservada en moitos eucariota e algúns procariotas.Lindstedt, G.; Lindstedt, S.; Midtvedt, T.; Tofft, M. The formation and degradation of carnitine in Pseudomonas. Biochemistry 1967, 6, 1262–1270.Vaz, F. M.; Wanders, R. J. A. Carnitine biosynthesis in mammals. Biochem. J. 2002, 361, 417–429.Strijbis, K.; Vaz, F, M.; Distel, B. Enzymology of the carnitine biosynthesis pathway. IUBMB Life 2010, 62, 357–362.
A L-carnitina biosintetízase a partir da Nε-trimetillisina.Hulse, J. D.; Ellis, S. R.; Henderson, L. M. Carnitine biosynthesis. β-Hydroxylation of trimethyllysine by an α-ketoglutarate-dependent mitochondrial dioxygenase. J. Biol. Chem. 1978, 253, 1654–1659. Na ruta están implicados polo menos catro encimas, que son: Nε-trimetillisina hidroxilase, 3-hidroxi-Nε-trimetillisina aldolase, 4-N-trimetilaminobutiraldehido deshidroxenase e γ-butirobetaína hidroxilase. Funcionan da seguinte maneira:
O primeiro encima da ruta de síntese da L-carnitina é a Nε-trimetillisina hidroxilase, que é unha oxixenase dependente do ferro(II) e do 2-oxoglutarato (2OG).Vaz, F. M.; Ofman, R.; Westinga, K.; Back, J. W.; Wanders, R. J. A. Molecular and biochemical characterization of rat ε-N-trimethyllysine hydroxylase, the first enzyme of carnitine biosynthesis. J. Biol. Chem. 2001, 276, 33512–33517. Este encima cataliza a reacción de hidroxilación da Nε-trimetillisina para dar 3-hidroxi-Nε-trimetillisina.
A orixe da Nε-trimetillisina é principalmente a degradación lisosómica ou proteasómica de proteínas metiladas.Bremer, J. Biosynthesis of carnitine in vivo. Biochim. Biophys. Acta 1961, 48, 622–624.Wolf, G.; Berger, C. R. A. Studies on the biosynthesis and turnover of carnitine. Arch. Biochem. Biophys. 1961, 92, 360–365.Paik, W. K.; Nochumson, S.; Kim, S. Carnitine biosynthesis via protein methylation. Trends Biochem. Sci. 1977, 2, 159–161. Tamén foi identificada unha ruta biosintética da Nε-trimetillisina que implica ao encima Nε-trimetillisina metiltransferase, por exemplo, en Neurospora crassa.Rebouche, C. J.; Broquist, H. P. Carnitine biosynthesis in Neurospora crassa: enzymatic conversion of lysine to ε-N-trimethyllysine. J. Bacteriol. 1976, 126, 1207–1214. Unha ruta biosintética similar pode tamén ser funcional nos humanos.Khan-Siddiqui, L.; Bamji, M. S. Lysine-carnitine conversion in normal and undernourished adult man – suggestion of a nonpeptidyl pathway. Am. J. Clin. Nutr. 1983, 37, 93–98.
O segundo encima da ruta biosintética da L-carnitina é a 3-hidroxi-Nε-trimetillisina aldolase, que é unha aldolase dependente do fosfato de piridoxal, e cataliza a clivaxe da 3-hidroxi-Nε-trimetillisina para dar 4-N-trimetilaminobutiraldehido e glicina.
A verdadeira identidade da 3-hidroxi-Nε-trimetillisina aldolase é difícil de determinar e non foi identificado aínda o xene que codifica este encima nos mamíferos. Demostrouse a actividade de 3-hidroxi-Nε-trimetillisina aldolase nos encimas L-treonina aldolase e a serina hidroximetiltransferase,McNeil, J. B.; Flynn, J.; Tsao, N.; Monschau, N.; Stahmann, K. P.; Haynes, R. H.; McIntosh, E. M.; Pearlman, R. E. Glycine metabolism in Candida albicans: characterization of the serine hydroxymethyltransferase (SHM1, SHM2) and threonine aldolase (GLY1) genes. Yeast 2000, 16, 167–175.Schirch, L.; Peterson, D. Purification and properties of mitochondrial serine hydroxymethyltransferas. J. Biol. Chem. 1980, 255, 7801–7806. aínda que non se estableceu polo momento se esta é a principal actividade catalítica destes encimas.
O terceiro encima da ruta é a 4-N-trimetilaminobutiraldehido deshidroxenase,Hulse, J. D.; Henderson, L. M. Carnitine biosynthesis. Purification of 4-N’-trimethylaminobutyraldehyde dehydrogenase from beef liver. J. Biol. Chem. 1980, 255, 1146–1151. que é un encima dependente do NAD+. Este encima cataliza a deshidroxenación do 4-N-trimetilaminobutiraldehido para dar gamma-butirobetaína.
A diferenza da 3-hidroxi-Nε-trimetillisina aldolase, a 4-N-trimetilaminobutiraldehido deshidroxenase foi ben identificada e purificada a partir de moitas fontes, entre elas as ratasVaz, F. M.; Fouchier, S. W.; Ofman, R. ; Sommer, M.; Wanders, R. J. A. Molecular and biochemical characterization of rat γ-trimethylaminobutyraldehyde dehydrogenase and evidence for the involvement of human aldehyde dehydrogenase 9 in carnitine biosynthesis. J. Biol. Chem. 2000, 275, 7390–7394. e a bacteria Pseudomonas.Hassan, M.; Okada, M.; Ichiyanagi, T.; Mori, N. 4-N-Trimethylaminobutyraldehyde dehydrogenase: purification and characterization of an enzyme from Pseudomonas sp. 13CM. Biosci. Biotechnol. Biochem. 2008, 72, 155–162. Porén, nos humanos este encima aínda non foi identificado. Existe unha considerable homoloxía de secuencia entre este encima da rata e o encima humano aldehido deshidroxenase 9,Lin, S. W.; Chen, J. C.; Hsu, L. C.; Hsieh, C. L.; Yoshida, A. Human γ-aminobutyraldehyde dehydrogenase (ALDH9): cDNA sequence, genomic organization, polymorphism, chromosomal localization, and tissue expression. Genomics 1996, 34, 376–380 pero a verdadeira identidade da 4-N-trimetilaminobutiraldehido deshidroxenase en humanos aínda non está establecida.
O encima final da ruta de biosíntese da L-carnitina é a γ-butirobetaína hidroxilase.Vaz, F. M.; van Gool, S.; Ofman, R.; Ijlst, L.; Wanders, R. J. Carnitine Biosynthesis: Identification of the cDNA Encoding Human γ-Butyrobetaine Hydroxylase. Biochem. Biophys. Res. Commun. 1998, 250, 506–510.Rigault, C.; Le Borgne, F.; Demarquoy, J. Genomic structure, alternative maturation and tissue expression of the human BBOX1 gene. Biochim. Biophys. Acta 2006, 1761, 1469–1481.Leung, I. K. H.; Krojer, T. J.; Kochan, G. T.; Henry, L.; von Delft, F.; Claridge, T. D. W.; Oppermann, U.; McDonough, M. A.; Schofield, C. J. Structural and mechanistic studies on γ-butyrobetaine hydroxylase. Chem. Biol. 2010, 17, 1316–1324.Tars, K.; Rumnieks, J.; Zeltins, A.; Kazaks, A.; Kotelovica, S.; Leonciks, A.; Saripo, J.; Viksna, A.; Kuka, J.; Liepinsh, E.; Dambrova, M. Crystal structure of human gamma-butyrobetaine hydroxylase. Biochem. Biophys. Res. Commun. 2010, 298, 634–639.Lindstedt, G.; Lindstedt, S.; Olander, B.; Tofft, M. α-ketoglutarate and hydroxylation of γ-butyrobetaine. Biochim. Biophys. Acta 1968, 158, 503–505.Lindstedt, G.; Lindstedt, S. Cofactor requirements of γ-butyrobetaine hydroxylase from rat liver. J. Biol. Chem. 1970, 245, 4178–4186. Igual que a Nε-trimetillisina hidroxilase, a γ-butirobetaína hidroxilase é unha oxixenase dependente de 2-oxoglutarato e ferro(II), que cataliza a hidroxilación estereoespecífica da γ-butirobetaína para dar a L-carnitina.
A γ-butirobetaína hidroxilase é o encima máis estudado desta ruta metabólica. Foi puirificada de moitas fontes, como Pseudomonas,Lindstedt, G.; Lindstedt, S.; Tofft, S. γ-Butyrobetaine hydroxylase from Pseudomonas sp AK 1. Biochemistry 1970, 9, 4336–4342 rata,Lindstedt, G. Hydroxylation of γ-butyrobetaine to carnitine in rat liver. Biochemistry 1967, 6, 1271–1282.Paul, H. S.; Sekas, G.; Adibi, S. A. Carnitine biosynthesis in hepatic peroxisomes. Demonstration of γ-butyrobetaine hydroxylase activity. Eur. J. Chem. 1992, 203, 599–605.Galland, S.; Leborgne, F.; Guyonnet, D.; Clouet, P.; Demarquoy, J. Purification and characterization of the rat liver γ-butyrobetaine hydroxylase. Mol. Cell. Biochem. 1998, 178, 163–168. vaca,Kondo, A.; Blanchard, J. S.; Englard, S. Purification and properties of calf liver γ-butyrobetaine hydroxylase. Arch. Biochem. Biophys. 1981, 212, 338–346. cobaiasDunn. W. A.; Rettura, G.; Seifter, E.; Englard, S. Carnitine biosynthesis from γ-butyrobetaine and from exogenous protein-bound 6-N-trimethyl-L-lysine by the perfused guinea pig liver. J. Biol. Chem. 1984, 259, 10764–10770. e humanos.Lindstedt, G.; Lindstedt, S.; Nordin, I. γ-Butyrobetaine hydroxylase in human kidney. Scand. J. Clin. Lab. Invest. 1982, 42, 477–485. A γ-butirobetaína hidroxilase recombinante humana tamén foi producida por Escherichia coli e sistemas de baculovirus.
miniatura|centre|600px|Esquema da ruta de biosíntese da L-carnitina en humanos.
Papel no metabolismo dos ácidos graxos A carnitina transporta grupos acilo de cadea longa de ácidos graxos desde o citosol á matriz mitocondrial para que sexan degradados na beta-oxidación dos ácidos graxos a acetil-CoA para obter enerxía utilizable a través do ciclo do ácido cítrico. Nalgúns organismos, como os fungos, o acetato utilízase no ciclo do glioxilato para a gliconeoxénese e a formación de carbohidratos. Os ácidos graxos deben ser activados antes de unirse á molécula de carnitina para formar acilcarnitina. Os ácidos graxos libres no citosol únense por enlace tioéster ao coencima A (CoA). Esta reacción é catalizada polo encima acilo graxo-CoA sintetase e completada por unha pirofosfatase inorgánica.
O grupo acilo graxo que leva o CoA pode agora ser transferido á carnitina, e a acilcarnitina resultante transpórtase á matriz mitocondrial. Isto ocorre por medio dunha serie de pasos similares:
O acil-CoA é conxugado coa carnitina pola carnitina aciltransferase I (palmitoiltransferase) localizada na membrana mitocondrial externa, formándose acilcarnitina no espazo intermembranoso. A acilcarnitina é transportada a través da membrana externa da mitocondria pola carnitina-acilcarnitina translocase, que pode intercambiar carnitina e acilcarnitina entre o espazo intermembranoso e a matriz mitocondrial. A acilcarnitina é convertida en acil-CoA pola carnitina aciltransferase II (palmitoiltransferase) localizada na membrana mitocondrial interna. A carnitina liberada volve ao citosol (por acción da translocase), e o acil-CoA queda na matriz mitocondrial e entra na beta-oxidación.
Algúns trastornos xenéticos humanos, como a deficiencia de carnitina primaria, a deficiencia de carnitina palmitoiltransferase I, a deficiencia de carnitina palmitoiltransferase II e a deficiencia de carnitina-acilcarnitina translocase, afectan a diferentes pasos deste proceso.