Carnitina

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.

A carnitina aciltransferase I presenta inhibición alostérica polo malonil-CoA (un intermediato na síntese de ácidos graxos) para impedir a formación dun ciclo fútil entre a β-oxidación e a síntese de ácidos graxos.

 Efectos fisiolóxicos 
 Efectos na masa ósea 
Conforme o ser humano envellece a concentración de carnitina nas células diminúe, o que afecta ao metabolismo de ácidos graxos en varios tecidos. Os ósos son especialmente afectados, xa que requiren a continua acción reconstrutiva e metabólica dos osteoblastos para o mantemento da masa ósea.

Hai unha estreita relación entre os cambios nos niveis plasmáticos de osteocalcina e a actividade dos osteoblastos e unha redución dos niveis plasmáticos de osteocalcina é un indicador dunha actividade reducida dos osteoblastos,Claudio Cavazza, Composition for the Prevention and Treatment of Osteoporosis due to Menopause Syndrome (2002), US Patent 6,335,038, column 4. o cal parece que subxace na osteoporose das persoas vellas e das mulleres menopáusicas. A administración dunha mestura de carnitina ou propionil-L-carnitina pode incrementar as concentracións séricas de osteocalcina dos animais así tratados, mentres que os niveis de osteocalcina sérica tenden a decrecer coa idade nos animais control.Claudio Cavazza, Composition for the Prevention and Treatment of Osteoporosis due to Menopause Syndrome (2002), US Patent 6,335,038, columns 3-4.

 Efectos antioxidantes 
As carnitinas exercen unha acción antioxidante substancial, proporcionando deste modo un efecto protector contra a peroxidación de lípidos das membranas fosfolipídicas e contra o estrés oxidativo inducido nas células endoteliais e do miocardio.Claudio Cavazza, Composition for the Prevention and Treatment of Osteoporosis due to Menopause Syndrome (2002), US Patent 6,335,038, column 3.

 Usos potenciais como fármaco 
 Problemas cardíacos 
A carnitina utilízase principalmente para tratar problemas cardíacos. Varios ensaios clínicos atoparon que a L-carnitina e a propionil-L-carnitina poden utilizarse xunto co tratamento convencional para a anxina de peito para poder reducir a medicación convencional e mellorar a capacidade das persoas con anxina de faceren exercicio sen sentiren dor no peito. 
Hai poucas evidencias sobre que a carnitina teña un efecto positivo despois dun ataque ao corazón. Algúns estudos suxiren que as persoas que toman L-carnitina poden ter menos probabilidade de sufrir posteriormente outro ataque de corazón ou sufrir dor de peito ou arritmias. Porén, outros estudos non atoparon que se producisen beneficios similares, polo que se require unha maior investigación deste asunto.

 Enfermidade renal e diálise 
Como os riles producen carnitina, as enfermidades renais poden orixinar unha deficiencia de carnitina no corpo. Así, a carnitina pode prescribirse para persoas con enfermidades renais.

 Efectos na fertilidade masculina 
O uso da carnitina mostrou ser prometedor en ensaios controlados en casos seleccionados de infertilidade masculina ao mellorar a calidade do seme. A suplementación con L-carnitina tamén mostrou ser beneficiosa no tratamento do varicocele, unha das principais causas de infertilidade masculina.

 Suplemento para a perda de peso 
"Aínda que a L-carnitina foi comercializada como un suplemento dietético para a perda de peso, non hai evidencias científicas que mostren que facilita a perda de peso; porén, algúns estudos mostran que a carnitina oral reduce a masa graxa, incrementa a masa muscular, e reduce a fatiga. Todos estes efectos poden contribuír indirectamente á perda de peso."University of Maryland Medical Center Ademais, as investigacións feitas no século XX que non encontraron que o contido de carnitina muscular podía ser incrementado pola suplementación na dieta, puideron obter este resultado en parte porque utilizaron períodos de suplementación de duración inadecuada. En 2011, as investigacións que usaron suplementación na dieta de L-carnitina L-tartarato durante seis meses nun estudo ben controlado demostraron non só un incremento da carnitina muscular en suxeitos sen deficiencias de carnitina, senón tamén un impacto no metabolismo e rendemento muscular; porén, neste estudo non se tomaron medidas de oxidación de lípidos, polo que se necesitarán máis estudos.

A suplementación regular de L-carnitina, contribúe ao metabolismo enerxético e mellora a función dos neurotransmisores no cerebro nos pacientes anciáns.Mariano Malaguarnera, Lisa Cammalleri, Maria Pia Gargante, Marco Vacante, Valentina Colonna and Massimo Motta: "L-Carnitine treatment reduces severity of physical and mental fatigue and increases cognitive functions in centenarians: a randomized and controlled clinical trial", American Journal of Clinical Nutrition, Volume 86, No. 6, 1738-1744, December 2007

 Antídoto no envelenamento por ácido valpórico 
No tratamento da toxicidade por valporato "a suplementación con L-carnitina ...pénsase que produce beneficios, especialmente en pacientes con hiperamonemia, encefalopatía, e hepatotoxicidade." Porén, serán precisos máis ensaios, xa que o beneficio obtido é en gran medida teórico, e non se pode considerar probado no actual estado das investigacións.

 Mellora dos síntomas da asma moderada 
Os niveis de L-carnitina son menores do normal en nenos con asma persistente moderada. Os nenos asmáticos que recibiron suplementación de L-carnitina durante seis meses mostraron unha mellora estatisticamente significativa na súa proba de control da asma e nas súas probas da función pulmonar.

 Mellora da fatiga orixinada pola quimioterapia do cancro con ifosfamida 
As altas doses do axente quimioterápico ifosfamida, debido á súa potencial nefrotoxicidade, poden causar perda urinaria de carnitina. Un estudo suxire que como é esencial para a produción de enerxía nas mitocondrias, a L-carnitina pode ter un papel na redución da fatiga asociada aos tratamentos anticancerosos con ifosfamida.

 Tratamento de síntomas do hipertiroidismo 
A L-carnitina é un antagonista periférico da acción das hormonas tiroides. Inhibe a entrada de triiodotironina e tiroxina no núcleo da célula. Por medio de ensaios aleatorios, Benvenga et al. atoparon que de 2 a 4 g de L-carnitina oral diarios podían reverter os síntomas do hipertiroidismo mesmo nos casos máis serios de hipertiroidismo (tormenta tiroide). Suxiren que como o hipertiroidismo fai diminuír os depósitos de carnitina nos tecidos, hai unha razón para usar L-carnitina polo menos en certos casos clínicos. Ao mesmo tempo, o feito de que a carnitina non poida impedir as recaídas do hipertiroidismo apoia ademais o concepto de que a acción da carnitina ten lugar na periferia e non na glándula tiroide.

 Fontes 
 Alimentos 

As maiores concentracións de carnitina encóntranse na carne vermella e nos produtos lácteos. Outras fontes naturais de carnitina inclúen noces e sementes, hortalizas, froitas, e cereais.

 Produto    Cantidade  Carnitina Bisté de vacún       100 g    95 mg Carne picada de vacún      100 g    94 mg Porco             100 g    27.7 mg Touciño entrefebrado            100 g    23.3 mg Tempeh (feito de soia)       100 g  19.5 mg Bacallau   100 g      Peituga de polo   100 g     3.9 mg Queixo americano  100 g     3.7 mg Xeados        100 ml    3.7 mg Leite enteiro       100 ml    3.3 mg Aguacate          unha metade  2 mgLinus Pauling Institute at Oregon State University Requeixo   100 g  1.1 mg Pan de trigo completo 100 g    0.36 mg Espárrago        100 g     0.195 mg Pan branco      100 g     0.147 mg Macarróns         100 g     0.126 mg Manteiga de cacahuete    100 g     0.083 mg Arroz cocido    100 g     0.0449 mg Ovos             100 g     0.0121 mg Zume de laranxa     100 ml  0.0019 mg

En xeral, inxírense diariamente de 20 a 200 mg nas dietas omnívoras, e nas dietas vexetarianas ou veganas a inxestión pode ser de 1 mg/día.

 Outras fontes 
Outras fontes poden encontrarse en preparados vitamínicos á venda, bebidas enerxéticas e outros produtos.

 Notas 

 Véxase tamén 
 Outros artigos 
 Acetilcarnitina
 Deficiencia de carnitina primaria
 Biosíntese da carnitina

 Ligazóns externas 
 article on Carnitine at University of Maryland Medical Center
 Molecule of the Month at University of Bristol

Categoría:Compostos de amonio cuaternario
Categoría:Aminoácidos