Primera reacción.
1. La primera reacción es catalizada por una familia de isoenzimas presentes en la mem- brana mitocondrial externa, la Acil-CoA-sintetasa.
2. La enzima cataliza la formación de un enlace tioéster entre el grupo COOH del ácido graso y el grupo tiol de la CoA, para generar un acil-CoA. En forma simultánea se hidroliza ATP a AMP y PPi.
3. Los acil-CoA al igual que el acetil- CoA son compuestos con enlaces de alta energía
Segunda reacción.
1. Participa la carnitina-acil-transferasa, que permite el paso de los ácidos grasos hacia el interior de la mitocondria. Esta enzima ubicada en la cara externa de la membrana interna de la mitocondria facilita la unión transitoria del grupo acil-graso al grupo OH de la carnitina. La acil-carnitina producida es transportada.
2. El éster acil-carnitina ingresa a la matriz mitocondrial por difusión facilitada por el transportador acil-carnitina/carnitina.
Tercera reacción.
1. El grupo acilo es transferido enzimáticamente, desde la carnitina a la coenzima A intra mitocondrial, por la carnitina acil-transferasa II. La enzima se localiza en la cara interna de la membrana mitocondrial interna, donde regenera el acil-CoA.
2. La carnitina liberada vuelve a la cámara externa, a través del transportador carnitina. De esta forma los ácidos grasos activados se encuentran listos para iniciar el proceso de β oxidación dentro de la matriz mitocondrial.
Fig. 9.3. Mecanismo de entrada de los ácidos grasos desde el citosol hacia la matriz mitocondrial.
Capítulo 9. Metabolismo de los lípidos 171
Una vez dentro de la matriz mitocondrial, los ácidos grasos pueden experimentar las reacciones de la beta oxidación.
Beta oxidación de ácidos grasos
Es la degradación oxidativa de los ácidos grasos que ocurre de forma gradual; dicha oxidación se produce a nivel de sus carbonos beta, y se degradan hasta unidades de acetil CoA. Es una vía del metabolismo energético, muy importante en células aeróbicas de diversos organismos de tipo animal y lo es el ser humano, en particular. Los electrones cedidos directamente en la beta oxidación por medio de cofactores reducidos y otros me- diante la incorporación del acetil CoA al ciclo de Krebs, pasan a la cadena transportadora de electrones, acoplada a la fosforilación oxidativa donde se produce la síntesis de ATP. Este proceso ocurre en la matriz mitocondrial.
Beta oxidación de ácidos grasos saturados
Se presentan cuatro reacciones enzimáticas que están implicadas en la primera fase de la oxidación de los ácidos grasos.
Primera etapa.
La acil-CoA-deshidrogenasa, produce un enlace doble entre los carbonos alfa y beta (C-2 y C-3), generando un trans 2-enoil-CoA. La enzima utiliza como grupo prostético FAD. Los electrones del FADH2 son cedidos posteriormente a un transportador electróni- co, la flavoproteína transferidora de electrones (ETFP), que permite se formen 1,5 moles de ATP en el proceso de fosforilación oxidativa.
Segunda etapa.
Implica la adición de agua al doble enlace del trans-2-enoil CoA, de esta forma gene- rar la forma L del β-hidroxiacil-CoA. La reacción es catalizada por la enoil-CoA-hidratasa.
Tercera etapa.
Se produce la deshidrogenación del L-β-hidroxiacil- CoA, para formar el β-cetoacil- CoA, por acción de la β-hidroxiacil-CoA deshidrogenasa. En esta reacción el NAD+ actúa
como aceptor de electrones. Posteriormente los electrones son cedidos al complejo I de la cadena respiratoria, que permite la formación de 2,5 moles de ATP en el proceso de fosforilación oxidativa.
Cuarta etapa.
Fase catalizada por la acil-CoA-acetil-transferasa (tiolasa), que promueve la reac- ción entre el β-cetoacil-CoA y una CoA libre, y así separar el fragmento carboxilo termi- nal de 2 carbonos del acetil CoA. Otro producto es un tioéster. Esta reacción se conoce como tiólisis.
En la figura 9.4 se puede observar un esquema general con las reacciones descritas, que se producen en una “vuelta” de la beta oxidación, proceso éste que se repite en ciclos sucesivos hasta la degradación completa del ácido graso.
Fig. 9.4. Secuencia de reacciones de la beta oxidación de un ácido graso satura- do. (una “vuelta” típica).
Balance energético de la beta oxidación de ácidos grasos.
Liberación del acetil - CoA y formación de ATP. Balance completo con la beta oxida- ción de un grupo acilo de 16 C (Palmitoil – CoA).
En cada vuelta de la beta oxidación de ácido grasos, se libera un acetil CoA, dos pares de electrones (e-) y 4 protones (H+), acortándolo en 2 átomos de carbono.
En consecuencia se necesitan 7 “vueltas” en la beta oxidación para oxidar una molé- cula de palmitoil-CoA a 8 moléculas de acetil-CoA.
Se forman 4 ATP a partir del FADH2 y del NADH. H+ liberados por cada acetil-CoA
(2 C) eliminados, o sea en cada “vuelta” de la beta oxidación.
Las moléculas de acetil CoA liberadas se incorporan al ciclo de Krebs, el cual debe estar funcionado adecuadamente para poder incorporarlas y oxidarlas, en una secuencia de reacciones que implican la síntesis de 10 ATP por cada molécula de acetil - CoA .
Capítulo 9. Metabolismo de los lípidos 173
Por lo tanto, realizando las operaciones matemáticas correspondientes tenemos que: La beta oxidación del Palmitoil-CoA (16 C) produce:
- 8 acetil-CoA (2C) - 7 FADH2
- 7 NADH+ + H+
Por cada FADH2 que se incorpora a la CTE, se producen 1,5 ATP y por cada NADH. H+,2,5 ATP y por cada acetil-CoA que se incorpora al Ciclo de Krebs , se forman 10 ATP.
Por lo tanto, se formarán en total:
7x 1, 5 APT+ 7x 2, 5 ATP + 8x10 ATP = 108 ATP
Si se descuentan los 2 ATP consumidos en la formación del acil CoA serían 106 ATP. Lo cual corresponde, si lo calculamos en moles de ATP, a lo siguiente:
7,3 Kcal/x 106 moles de ATP = 773,8 moles de ATP/ mol de Palmitoil CoA.
Destino del glicerol formado en la primera etapa de la lipólisis
En el hígado, el glicerol se transforma en triosas fosfatadas que pueden seguir la vía de la gluconeogénesis como fuente de glucosa para otros tejidos del organismo que requie- ren de energía.
Regulación de la lipólisis
La regulación de la lipólisis, se produce esencialmente a dos niveles: en la degrada- ción inicial de los triacilgliceroles en el propio tejido adiposo y a nivel de la entrada de los ácidos grasos a la mitocondria del tejido en que se va a oxidar, donde existen enzimas y transportadores específicos sujetos a regulación como se ha señalado .
La degradación de los triacilgliceroles a nivel del tejido adiposo, está regulada por la lipasa intracelular hormona sensible cuya acción hemos descrito. Ante un défi- cit energético en el organismo como el ejercicio o la hipoglucemia, se producen estí- mulos en células específicas del sistema endocrino y las hormonas adrenalina y glucagón respectivamente son segregadas por la médula suprarrenal y las células alfa del páncreas. Estas hormonas son encargadas de movilizar las reservas de lípidos del tejido adiposo (células diana, que tienen sus receptores específicos), hacia los órganos y tejidos que requieren de energía (corazón, músculo esquelético e hígado principalmente). En el tejido adiposo, la adrenalina y el glucagón activan la adenilato ciclasa de la membrana del adipocito, produciendo AMPc intracelular. Una proteína quinasa AMPc-dependiente fosforila y activa a la triacilglicerol lipasa, que hidroliza los enlaces ésteres liberando los ácidos grasos y glicerol. Este mecanismo se muestra en un esquema, de la figura 9.5.
Por otro lado, en condiciones de reposo y tras la ingestión de las comidas, en particu- lar ricas en glúcidos y aminoácidos, se estimulan las células beta del páncreas y se liberan cantidades de insulina, que tiene un efecto contrario a las hormonas glucagón y adrenalina. Se inhibe la actividad de la triacilglicerol lipasa, mediante un mecanismo de desfosforilación de la enzima, en el que participa una fostatasa. Además, se activa una fosfodiesterasa que hidroliza el enlace 3’- éster del AMPc que se convierte de nuevo en 5’AMP, cesando la actividad que estimuló la cascada de fosforilaciones de las quinasas que pudo dar lugar al incremento de la lipólisis en las condiciones de requerimiento energético. De manera que, como resultado de este mecanismo, la insulina disminuye el proceso de lipólisis.
Pero, además, como se estudiará detalladamente más adelante, en la regulación de la lipogénesis, la insulina activa la acetil CoA-carboxilasa, que cataliza la síntesis del malonil - CoA en la biosíntesis de los ácidos grasos, y el glucagón la inactiva. El malonil -CoA es un inhibidor alostérico del transporte de los ácidos grasos hacia el interior de la matriz mitocondrial, que como hemos visto es un paso clave para que exista disponibilidad de estos sustratos en la mitocondria y se pueda producir la beta oxidación. De manera que la insulina produce una disminución de la beta oxidación, y por tanto de la lipólisis y el glucagón contribuye a incrementarla por este mecanismo. Este mecanismo puede verse en la figura 9.6. Como puede observarse, este mecanismo complementa la acción que estas hormonas tienen directamente en la degradación inicial de los triacilgliceroles, según vi- mos anteriormente.