Metabolismo de Lípidos: B-oxidación.
En esta nueva entrada al blog, hablaremos sobre el metabolismo de los lípidos, ¿cómo ocurre?, ¿dónde ocurre?, ¿cuáles son sus metabolitos?. Estas y otras preguntas serán respondidas en esta ocasión.
Para empezar, debemos recordar cómo están formados los lípidos de los que hablaremos hoy. Estos lípidos simples, llamados triacilglicéridos, están formados por un polialcohol o glicerol, y tres ácidos grasos. Este triglicérido es mixto, con esto me refiero a que sus ácidos grasos que lo componen, no comparten entre ellos la misma cantidad de átomos de carbono en sus respectivas cadenas. Otro dato muy importante a tener en cuenta es que, estos ácidos grasos son saturados, es decir que no contienen ningún doble enlace covalente entre átomos de carbono en su cadena. Todos los enlaces de carbono-carbono son simples para este ejemplo.
Hoy trabajaremos con un lípido en particular, el cuál será expuesto a continuación, con el objetivo de explicar todos los pasos y reacciones que éste deberá de atravesar para poder rendir energía en forma de ATP. Entonces, la estructura del mismo es la siguiente:
Como podemos ver, encontramos en la posición del carbono 1 del polialcohol del triglicérido un ácido palmítico (C 16); en la posición del carbono 2 del polialcohol un ácido láurico (C 12); en la posición del carbono 3 del polialcohol un ácido araquídico (C 20). Por lo tanto, este lípido podría ser llamado 1-palmitil-2-lauril-3-araquidil-glićerido.
Pero, ¿Cómo entra esta molécula a una ruta catabólica para ser degradada hasta formar ATP? Bueno, el primer paso sería hidrolizar esta molécula para obtener glicerol por un lado y 3 ácidos grasos por el otro. Esta reacción se produce en el citoplasma de los adipocitos. Los triacilglicéridos llegan a las células del tejido adiposo a través de unas lipoproteínas, que por unos receptores de membrana y enzimas de la membrana celular, con la colaboración del nucleótido monofosfato AMPc, éstas lipoproteínas liberan los lípidos dentro del citoplasma de los adipocitos. A continuación, la triglicérido lipasa (enzima catabólica) escinde las uniones éster entre el glicerol y los ácidos grasos a través de una hidrólisis. En este proceso, se consumen 3 moléculas de água. Como resultado obtenemos 1 glicerol + 3 ácidos grasos. A continuación una representación:
Como en esta entrada nos centraremos más a fondo en la B-oxidación, explicaré de manera breve la ruta metabólica que seguirá el glicerol hasta formar piruvato. Como es predecible, el glicerol se convertirá en gliceraldehído-3-fosfato para entrar en la ruta de la glucólisis y seguir con su degradación. Para esto, la molécula de glicerol deberá fosforilarse a partir de un ATP (actúa una quinasa), formando L-Glicerol-3-fosfato + ADP. Seguido de esto, la molécula se oxida, dando lugar a Dihidroxiacetona-fosfato, reduciéndose una molécula de NADH + H+ (actúa una deshidrogenasa). Por último, una isomerasa transformará la dihidroxiacetona-fosfato en D-gliceraldehído-3-fosfato. Esta última seguirá, entonces, la ruta de la glucólisis hasta llegar a ser piruvato.
Ahora si, llegamos al punto de esta publicación, en el que empezaremos a hablar de B-oxidación (beta-oxidación).
¿Qué es la "B-oxidación"? Llamamos así a la ruta degradativa de los ácidos grasos, que ocurre en la matriz mitocondrial, con la finalidad de romper los ácidos grasos en varios trozos de dos carbonos cada uno. Estos últimos van unidos a una coenzima llamada Coenzima A (CoA), que mantiene un enlace de alta energía con el grupo acetilo al que se unen. Esta molécula de dos carbonos unida a la Coenzima A, es denominada "Acetil-CoA", el principal metabolito del Ciclo de Krebs. Pero, estos ácidos grasos no se rompen en muchas moléculas de dos carbonos "de una sola vez", sino que cada vuelta a este ciclo de B-oxidación, supone la ruptura y separación de un solo grupo acetil, que al unirse a otra molécula de HSCoA, da lugar a un Acetil-CoA. Aunque, es necesario aclarar que en la última vuelta del ciclo de B-oxidación, en la que el "Acil-CoA" (molécula compuesta por más de 2 carbonos en su cadena, a diferencia del Acetil-CoA) está formado por cuatro átomos de carbono solamente, se escinde formando dos moléculas de acetil-CoA como resultado.
Los ácidos grasos entran en las células e inmediatamente son activados al ser transformados en un éster tiólico con la CoA. Ésto para ser solubilizado en el entorno celular. En este caso, esta transformación está catalizada por la Acil-CoA sintetasa que se encuenta en la membrana externa de la mitocondria. Explicado de manera sencilla, esta enzima logra activar al ácido graso y lo ingresa al medio intermembranoso de la mitocondria. Para esto ocupa una molécula de ATP, liberando AMP.
Una vez que el acil-CoA ha ingresado a este medio intermembranoso, es ingresado a la matriz mitocondrial ayudado por una lanzadera llamada carnitina acil-carnitina translocasa. Las enzimas carnitina acil transferasas 1 y 2, hacen posible este pasaje. Inmediatamente, el acil-CoA entra a la ruta de la B-oxidación, en la matriz mitocondrial.
Esta ruta catabólica está compuesta de cuatro reacciones: 1) Deshidrogenación (oxidación). 2) Hidratación. 3) Deshidrogenación (oxidación). 4) Ruptura tiólica (tiólisis).
Para explicar esto, tomemos de ejemplo una estructura de ácido graso real, el ácido Láurico, de 12 Carbonos. Al saber que cada molécula de acetil-CoA está formada por una cadena de 2 carbonos + CoA, podemos decir que el ácido de 12 carbonos deberá realizar 5 vueltas al ciclo de B-oxidación para poder dar como resultado un total de 6 moléculas de acetil-CoA.
En estas imágenes podemos observar las transformaciones que va sufriendo el acil-CoA, desde la primer vuelta, hasta la quinta y última vuelta al ciclo:
Primera reacción de deshidrogenación (oxidación): en esta reacción se produce un desprendimiento de dos átomos de hidrógeno de la molécula de acil-CoA. El carbono beta, pierde un átomo de hidrógeno, y lo mismo ocurre con el carbono alfa, generándose una unión doble covalente de isomería trans entre estos dos carbonos (enol). Esta reacción es catalizada por la enzima Acil-CoA deshidrogenasa, del grupo de las Óxido-reductasas, y el aceptor de electrones, resultantes de esta oxidación, es el FAD, reduciéndose este último a FADH2.
Hidratación de la molécula de acil-CoA: a continuación, se produce la entrada de una molécula de agua a la molécula de acil-CoA, reduciendo la molécula al agregarse un grupo hidroxilo al carbono beta, y un átomo de hidrógeno en el carbono alfa. Como resultado de ésto, el enlace entre carbono beta y carbono alfa, vuelve a ser simple (saturado). Esta hidratación es catalizada por la enzima Enoil-CoA hidratasa, del grupo de las Liasas.
Segunda reacción de deshidrogenación (oxidación): en este paso, la molécula de acil-CoA vuelve a oxidarse por la pérdida de dos átomos de hidrógeno del carbono beta. En consecuencia, el carbono beta pasa a formar un dóble enlace con el átomo de oxígeno que era parte del grupo hidroxilo, dando lugar a un grupo carbonilo (cetona) en esta posición de la cadena. Esta reacción es catalizada por la enzima L-hidroxiacil-CoA deshidrogenasa, del grupo de las Óxido-reductasas, y el aceptor de electrones en este caso, es el NAD+, que reducido se transforma en NADH + H+.
Ruptura tiólica (tiólisis): en esta última reacción, se produce una escición de la molécula de B-cetoacil-CoA, entre el carbono beta y alfa. Como producto obtenemos una molécula de acil-CoA y una molécula de acetil-CoA. El acil-CoA resultante, presenta un recorte de dos carbonos de su cadena. Éste volverá a recorrer todo el ciclo de la B-oxidación hasta finalmente dar como resultado dos moléculas de acetil-CoA finales. El ácido láurico activado, luego de haberse degradado completamente, dará un total de seis moléculas de acetil-CoA.
El acetil-CoA, por su parte, entrará al ciclo de Krebs para generar tres moléculas de NADH + H+, una molécula de FADH2, y una molécula de GTP(ATP).
El ácido Láurico específicamente, dará como resultado de su degradación en la B-oxidación, un total de 5 NADH + H+ y 5 FADH2. Este mismo ácido graso, al dar 6 acetil-CoA, se producirán además, 6(3NADH + H+), 6(1FADH2) y 6(1GPT). Ésto como resultado de las seis vueltas al Ciclo de Krebs.
Sabiendo que el ATP se sintetiza a través de una reacción llamada Fosforilación Oxidativa, precedida de una cadena transportadora de electrones, que oxidan a los NADH + H+ y los FADH2, debemos saber lo siguiente para poder calcular el rendimiento energético en moléculas de ATP a partir del ácido Láurico: por cada 1 NADH + H+, se sintetizan 2.5 ATP; por cada 1 FADH2, se sintetizan 1.5 ATP.
Esto nos permíte decir que:
6 Acetil-CoA = 6(3NADH + H+) + 6(FADH2) + 6(GTP) = 6(7.5 ATP) + 6(1.5 ATP) + 6 GTP = 60 ATP (a través del ciclo de Krebs).
5 vueltas a la B-oxidación = 5(NADH + H+) + 5(FADH2) = 5(2.5 ATP) + 5(1.5 ATP) =
20 ATP (a través de la B-oxidación).
60 ATP + 20 ATP - 2 ATP (por activación del ácido graso) = 78 ATP en Total.
Con este mismo procedimiento y datos, podemos calcular el rendimiento energético de toda la estructura del triglicérido del que hablamos al principio del blog. El glicerol al convertirse en D-Gliceraldehído-3-fosfato, pasa por un proceso que da como resultado la pérdida de 1 ATP. Luego de la glucólisis, desde esta última molécula, hasta ser transformada en piruvato, obtenemos 1 NADH + H+, y 2 ATP. El piruvato al convertirse en acetil-CoA por medio de la descarboxilación oxidativa, da como subproducto 1 NADH + H+. Entonces calculamos todo esto, relacionado a lo anterior, y nos da:
Del Glicerol hasta el ATP= 1 Glicerol = D-Gliceraldehído-3-fosfato - 1 ATP =
1 Piruvato + 1(NADH + H+) + 2 ATP - 1 ATP = 1 Piruvato + 2.5 ATP + 2 ATP - 1ATP
1 Piruvato = 1 Acetil-CoA + 1(NADH + H+) = 1 Acetil-CoA + 2.5 ATP
1 Acetil-CoA = 3(NADH + H+) + 1 FADH2 + 1 GTP = 3(2.5 ATP) + 1.5 ATP + 1 GTP = 10 ATP
Por lo tanto : 10 ATP (ciclo de Krebs) + 4.5 ATP (glucólisis)
+ 2.5 ATP (descarboxilación oxidativa) - 1 ATP (fosforilado del glicerol) =
= 16 ATP por Glicerol.
Ácido Palmítico (16 C) = 7 vueltas de B-oxidación = 7 (NADH + H+) + 7(FADH2) + 8 Acetil-CoA = 7(2.5 ATP) + 7(1.5 ATP) + 8 Acetil-CoA = 28 ATP + 8 Acetil-CoA
28 ATP + 8 Acetil-CoA = 8(3NADH + H+) + 8(FADH2) + 8(GTP) + 28 ATP =
8(7.5 ATP) + 8(1.5 ATP) + 8 GTP + 28 ATP =
80 ATP + 28 ATP - 2 ATP (por activación del ác. graso) = 106 ATP por ácido Palmítico.
Ácido Láurico (12 C) = 78 ATP (ya lo hemos calculado antes).
Ácido Araquídico (20 C) = 9 vueltas de B-oxidación = 9(NADH + H+) + 9(FADH2) + 10 Acetil-CoA = 9(2.5 ATP) + 9(1.5 ATP) + 10 Acetil-CoA =
36 ATP + 10 Acetil-CoA =
10(3NADH + H+) + 10(FADH2) + 10(GTP) + 36 ATP =
10(7.5 ATP) + 10(1.5 ATP) + 10 GTP + 36 ATP =
100 ATP + 36 ATP - 2 ATP (por activación del ác. graso) =
134 ATP por ácido Araquídico.
16 ATP (Glicerol) + 106 ATP (Palmítico) + 78 ATP (Láurico) + 134 ATP (Araquídico) =
334 ATP por cada 1-palmitil-2-lauril-3-araquidil-glicérido.
Esto ha sido todo por esta vez, espero que les haya gustado, y más importante aún, que les haya servido para entender más a fondo todo este tema de las rutas catabólicas implicadas en la degradación de los lípidos y, cuál y cómo se calcula su rendimiento energético.
Jasso Gonzalo.
