Catabolismo de los lípidos

Los lípidos son también una gran fuente de energía para la célula. De hecho, son moléculas que almacenan más eficientemente la energía que la glucosa. Entre ellos destacan los triacilglicéridos o grasas, que constituyen una fuente y una reserva de energía. Su valor calórico es muy elevado (9 kcal/g en lugar de 4 kcal/g de la glucosa).

Los lípidos son metabolizados en una reacción catabólica muy importante llamada beta-oxidación de los ácidos grasos (o β-oxidación), en la cual el caborno β de los ácidos grasos se va oxidando y se van originando fragmentos de dos átomos de carbono en forma de acetil-CoA. Es una ruta en espiral que consta de cuatro etapas, pero antes de que se produzca se han de realizar unos pasos previos.

Fases previas del catabolismo de los lípidos

Los triacilglicéridos sufren una serie de transformaciones antes de comenzar su oxidación. Estas fases son:

• Hidrólisis. Los triacilglicéridos se degradan a ácidos grasos y glicerol, que se liberan desde el tejido adiposo y se transportan a los tejidos que requieren energía. Las lipasas son las enzimas encargadas de hidrolizar los triacilglicéridos en un proceso denominado lipolisis. La lipasa del tejido adiposo es activada en presencia de las hormonas adrenalina, noradrenalina, glucagón y hormona adrenocorticotrópica. De este proceso de lipólisis se obtienen:
  
  • Ácidos grasos. Los ácidos grasos liberados, que no son solubles en el plasma sanguíneo, por lo que es necesaria la intervención de albúmina presente en el suero, que se une a los ácidos grasos y actúa como portador. De esta manera los ácidos grasos libres pasan a la sangre y pueden ser accesibles a otros tejidos.
    
  • Glicerol, que es captado por el hígado, siendo fosforilado y oxidado a dihidroxiacetona fosfato e isomerizado a gliceraldehido 3-fosfato, intermediario tanto de las vias glucolítica como gluconeogénica. Glicerol y este tipo deintermediarios son fácilmente interconvertibles en el hígado dependiendo de las necesidades del organismo.
  
  
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  Esquema de la activación de los ácidos grasos
  Activación. Los ácidos grasos son activados en el citosol mediante su conversión a tioésteres de coenzima A catalizada por acil-CoA sintetasa, en una reacción que consume ATP. Este enzima se encuentra en la membrana externa mitocondrial. Esta activación tiene lugar en dos etapas que finaliza con el ácido graso unido a CoA.

  R-COOH + ATP + CoASH ⟶ Acil-CoA sintetasa ⟶ R-CO-SCoA + AMP + PP_i + H₂O
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  Entrada a la mitocondria mediada por carnitina
  Entrada a la matriz mitocondrial. Una vez activado el ácido graso debe ser transportado al interior de la mitocondria para ser oxidado. Los ácidos grasos de cadena corta son transportados directamente a la matriz mitocondrial, mientras que los ácidos grasos de cadena larga necesitan un mecanismo de transporte especial para pasar a través de la membrana interna mitocondrial: conjugación a carnitina. La carnitina es un derivado aminoacídico que participa en el circuito vascular reduciendo niveles de triglicéridos y colesterol en sangre. Se produce naturalmente en el hígado a partir de los aminoácidos L-metionina y la L-lisina. La carnitina se encarga de llevar estos ácidos grasos activados al interior de la matriz mitoncondrial por medio del siguiente mecanismo.
  
  • La enzima carnitina palmitoiltransferasa I (CPTI) de la membrana mitocondrial externa elimina el coenzima A de la molécula de acil-CoA y, a la vez, la une a la carnitina situada en el espacio intermembrana, originado acilcarnitina; el CoA queda libre en el citosol para poder activar otro ácido graso.
  • A continuación, una proteína transportadora, llamada translocasa, situada en la membrana mitocondrial interna, transfiere la acilcarnitina a la matriz mitoncondrial y, paralelamente, la carnitina palmitoiltransferasa II (CPTII) une una molécula de CoA de la matriz al ácido graso, regenerando así el acil-CoA.
  • La carnitina se devuelve al espacio intermembrana por la proteína transportadora y reacciona con otro acil-CoA, repitiéndose el ciclo.
    

β-oxidación de los ácidos grasos

Una vez realizados estos pasos previos, y ya en la matriz mitocondrial, los ácidos grasos están disponibles para comenzar la β-oxidación, que sonsiste en una serie de reacciones en las que el carbono β se va oxidando y se van originando fragmentos de dos átomos de carbono en forma de acetil-CoA. Esta ruta es una secuencia repetitiva de cuatro reacciones:

β-oxidación

1. Oxidación. Ccatalizada por acil-CoA deshidrogenasa, tiene como resultado la producción de un enoil-CoA con un doble enlace entre los carbonos 2 y 3. Al igual que la deshidrogenación del succinato en el ciclo del ácido cítrico el aceptor de electrones es el FAD, que se encuentra unido a la acil-CoA deshidrogenasa como grupo prostético. Estos electrones son posteriormente transferidos la cadena de transporte de electrones.
2. Hidratación. Catalizada por enoil-CoA hidratasa, que hidrata el doble enlace entre los C2 y C3 del enoil-CoA, produciendo 3-hidroxiacilCoA. Es una reacción estereoespecífica, cuando se hidrata el doble enlace transδ² solamente se produce el L-isómero del 3-hidroxiacil-CoA.
3. Oxidación por NAD⁺. Catalizada por la L-3-hidroxiacil-CoA deshidrogenasa, convierte el grupo hidroxilo del carbono 3 en un grupo ceto, generando NADH y 3-cetoacil-CoA. Es también específica para el isómero L del sustrato hidroxiacilo.
4. Tiólisis. El paso final para la ruptura del cetoacil-CoA entre C-2 y C-3 por el grupo tiol de otra molécula de CoA. Esta reacción es catalizada por β-cetotiolasa y da lugar a una molécula de acetil CoA y un acil CoA con dos carbonos menos.

Estas cuatro reacciones continúan hasta que la escisión completa de la molécula en unidades de acetil CoA. Por cada ciclo, se forma una molécula de FADH₂, una de NADH y una de acetil-CoA. Esto supone una visión de un ciclo en espiral ya que repite los mismos pasos pero con diferentes sustancias procedentes del ciclo anterior. Por ello se le llama hélice de Lynen. Los ácidos grasos de un número impar de carbonos siguen las mismas vías, esto es, ciclos de deshidrogenación, hidratación, deshidrogenación y lisis. Sin embargo, en el último paso del ciclo, se forma una molécula de propionil-CoA (3C), potencialmente gluconeogénico, a diferencia de los acetil-CoA (el Acetil-CoA que ingrese en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos es completamente oxidado a 2 moléculas de anhídrido carbónico).

Tanto el acetil-CoA que se produce en cada ciclo como las moléculas reducidas se incorporan después a etapas de la respiración celular: el ciclo de Krebs (acetil-CoA) y la cadena de electrones (NADH y FADH₂).

Balance energético de la β-oxidación de un ácido graso

Dado que durante la β-oxidación la cadena de carbonos de los ácidos grasos se rompe en unidades de dos carbonos (unidas al coenzima A) y que cada rotura produce una molécula de FADH₂ y una molécula de NADH + H⁺, es fácil calcular las moléculas de ATP generadas en la oxidación completa de un ácido graso. FADH₂ y NADH van a la cadena respiratoria y los acetil-CoA ingresan en el ciclo de Krebs donde generan GTP y más moléculas de FADH₂ y NADH. Si tomamos como ejemplo el ácido palmítico, ácido graso saturado de 16 carbonos, los pasos y el rendimiento sería:

1. En primer lugar, el ácido palmítico ha de activarse y formar el restopalmitoil-CoA para atravesar la membrana interna de la mitocondria. Esta activación supone un gasto de dos ATP.
2. A continuación, el resto palmitoil-CoA comienza el proceso de β-oxidación. El número de hélices de Lynen que tienen que producirse para oxidar completamente el ácido graso es igual al resultado de dividir por 2 el número de átomos de cabono menos dos; para este caso, (16-2)/2= 7 hélices.
3. En cada ciclo se producen dos moléculas de NADH, una molécula de FADH₂ y una molécula de acetil-CoA.
4. Todas estas moléculas se incorporan al ciclo de Krebs (acetil-CoA) y en la cadena de transporte de electrones de la fosforilación oxidativa (NADH y FADH₂).
5. El número de moléculas de ATP que se formarán ser:

   	Ciclo de Krebs	Num. ATP por molécula	Num. ATP totales
   7 NADH	-	3	21
   FADH2	-	2	14
   8 acetil-CoA	8 ATP		8
   	24 NADH	3	72
   	8 FADH2	2	16
   			131

6. A estas moléculas de ATP hay que restarles las dos moléculas de ATP gastadas en activación, luego el balance final sería 131 ATP - 2 ATP = 129 moléculas de ATP.