Durante el estado 1 del catabolismo de los lípidos complejos se producen ácidos grasos, los cuales tienen gran cantidad de energía. El estado 2 del catabolismo conduce a los ácidos grasos hasta acetil - S - C o A, que ingresa al ciclo de Krebs. La degradación de los ácidos grasos también se conoce con el nombre de β - oxidación, que ocurre en la matriz mitocondrial. A continuación se analiza cada una de las reacciones de este proceso, para un ácido graso saturado.
REACCIÓN 1: ACTIVACIÓN DE LOS ÁCIDOS GRASOS
En este proceso un ácido graso reacciona con CoA - SH y ATP, para producir un acil - S - CoA, AMP y PPi. (Figura 13.14). La palabra acil se asocia a cualquier ácido graso, si se hace referencia a la degradación de un ácido graso específico, por ejemplo, del ácido palmítico entonces se produce palmitoíl - S - CoA. Hay varias enzimas que catalizan esta reacción, dependiendo de la longitud del ácido graso, pero en general se les llama acil - S - CoA sintetasa. En las células hay muy pocos ácidos grasos libres, éstos son tóxicos y en cuanto se liberan son convertidos a su acil - S - CoA correspondiente, cual no es tóxico.
REACCIÓN 2: HIDRÓLISIS DEL PPi PRODUCIDO EN LA REACCIÓN 1
En esta reacción el pirofosfato que se produce en la reacción anterior es hidrolizado para producir dos moléculas de Pi. La enzima es la pirofosfatasa inorgánica. Esto proporciona energía adicional para que la reacción anterior ocurra en el sentido de la formación del acil - S - CoA. (Figura 13.15).
REACCIÓN 3: FORMACIÓN DE ADP A PARTIR DEL AMP
En esta reacción el AMP producido es convertido a ADP por la donación de un fosfato proveniente de una molécula de ATP, obteniéndose dos moléculas de ADP. (Figura 13.16).
REACCIÓN 4: DESHIDROGENACIÓN DEL ACIL - S - CoA
La acil - CoA deshidrogenasa cataliza la transferencia de un par de electrones, desde el acil - S - CoA hasta el FAD, produciéndose ∆2 - trans – enoil - S - C o A y F A D H 2 . (Figura 13.17).
REACCIÓN 5: HIDRATACIÓN DEL ∆2 - TRANS - ENOIL - S – CoA
En esta etapa la molécula de ∆ 2 - trans - enoil - S - CoA, producida en la reacción anterior, se hidrata, con lo que se obtiene L - 3 - hidroxiacil - S - CoA. La reacción es catalizada por la enzima enoil - S - CoA -hidratasa. (Figura 13.18).
REACCIÓN 6: DESHIDROGENACIÓN DEL L - 3 - H I D R O X I A C I L - S – CoA
En este paso la molécula de L - 3 - hidroxiacil - S - CoA se deshidrogena, para producir 3 - cetoacil - S - CoA. La enzima que efectúa este proceso es la L - 3 - hidroxiacil - S - CoA deshidrogenasa, la cual usa como cofactor una molécula de NAD, misma que sale reducida. (Figura 13.19).
REACCIÓN 7 : PRODUCCIÓN DE ACETIL - S – CoA
En esta última reacción, del ciclo de la β - oxidación, el 3 - cetoacil - S - CoA reacciona con una molécula de CoA - SH, produciéndose una molécula de acetil - S - CoA y otra de un acil - S - CoA, que tiene dos carbonos menos que el que inició el ciclo. La enzima acetil - S - CoA acetiltransferasa cataliza esta reacción. (Figura 13.20).
El acil - S - CoA producido en este punto puede iniciar un nuevo ciclo de oxidación, al final del cual se produce otra molécula de acetil - S - CoA y un acil - S - CoA con dos carbonos menos. Por pasos sucesivos, a través de estas reacciones el ácido graso original queda convertido totalmente en moléculas de acetil - S - CoA. Un ácido graso saturado con 16 carbonos produce, después de 7 vueltas de la β - oxidación, 8 moléculas de acetil – S - CoA y uno de 20 carbonos rinde 10, en este caso el ciclo se efectúa 9 veces. (Figura 13.21).
Figura 13.21 Un ácido graso, una vez transformado en acil - S - CoA, se degrada mediante ciclos sucesivos de b - oxidación, produciéndose en cada uno de éstos una molécula de acetil - S - CoA y un acil - S - CoA dos carbonos más corto que el original. En esta figura se muestran los siete ciclos que se dan para degradar al ácido palmítico que tiene 16 átomos de carbono. Los números representan las vueltas. (Figura elaborada por el autor).
Es posible ahora, como ejemplo, ver las reacciones que conducen a la degradación total del ácido palmítico hasta CO2 y agua y analizar la energía útil que se produce (ATP). El ácido palmítico es un ácido graso saturado que tiene 16 átomos de carbono.
En la reacción de activación el ácido palmítico reacciona con CoA - SH y se convierte en palmitoil - S - CoA, gastándose, además, una molécula de ATP y produciéndose un AMP y PPi. (Figuras 13.14 y 13.21).
Las siguientes reacciones son: la hidrólisis del PPi para formar dos Pi y el gasto de una molécula de ATP que reacciona con el AMP para producir 2 ADP. (Figuras 13.15 y 13.16).
La molécula de palmitoil - S - CoA entra al primer ciclo de β - oxidación al final del cual se produce el acil - S - CoA que tiene 14 átomos de carbono: el miristoil - S - CoA (derivado del ácido mirístico), las reacciones se aprecian en la Figura 13.22.
Figura 13.22 Primer ciclo de la b - oxidación, en la degradación total del ácido palmítico. (Figura elaborada por el autor).
Si se suman los componentes de la derecha, en las reacciones representadas en la Figura 13.22, con los de la izquierda y se eliminan algebraicamente los términos semejantes, se llega a la reacción global de un ciclo de la β - oxidación. Esa reacción se encuentra representada en la Figura 13.23, en la cual, para hacerla más general, al ácido graso de 14 carbonos se le llama acil.
Figura 13.23 Reacción global de un ciclo de la b - oxidación. (Figura elaborada por el autor).
Para degradar completamente una molécula de palmitoil - S - CoA hasta ocho moléculas de acetil – S - CoA, el ciclo de la β - oxidación se tiene que repetir siete veces. Por lo tanto, la ecuación de la Figura 13.23 hay que multiplicarla por siete, para relacionarla con este compuesto. (Figura 13.24).
Figura 13.24 Reacción global de siete ciclos de la β - oxidación para degradar una molécula de palmitoil - S - CoA en 8 de acetil - S - CoA. (Figura elaborada por el autor).
Si a la ecuación de la Figura 13.24 se le suman las reacciones 13.14, 13.15 y 13.16, se obtiene una ecuación global, en la que se muestra la degradación de una molécula de ácido palmítico en 8 moléculas de acetíl - S - CoA. Esto se muestra en la Figura 13.25.
Figura 13.25 Reacción global para la degradación de una molécula de ácido palmítico en 8 de acetil - S - CoA. (Figura elaborada por el autor).
Las ocho moléculas de acetil - S - CoA ingresan al ciclo de Krebs, en donde son degradadas hasta CO2. En la Figura 13.26 se tiene la ecuación global, para la degradación de una molécula de acetil - S - CoA en esta ruta.
Figura 13.26 Ecuación global del ciclo de Krebs. (Figura elaborada por el autor).
El GTP, de esta última ecuación, es transformado en GDP, al donar un grupo fosfato a una molécula de ADP. Esta reacción y su suma con la ecuación de la Figura 13.26 se aprecian en la Figura 13.27.
Figura 13.27 Ecuación global del ciclo de Krebs en donde se considera que el GTP donó una molécula de Pi al ADP. (Figura elaborada por el autor).
El ácido palmítico produce en la β - oxidación 8 moléculas de acetil - S - CoA, por lo que la ecuación de la Figura 13.27 se debe multiplicar por esa cantidad, obteniéndose la ecuación de la Figura 13.28.
Figura 13.28 Ecuación global del ciclo de Krebs multiplicada por ocho. (Figura elaborada por el autor).
Sumando la ecuación global de la Figura 13.25 con la de la Figura 13.28 se obtiene una ecuación total para la degradación de una molécula de ácido palmítico hasta CO2 . (Figura 13.29).
Figura 13.29 Ecuación global de la degradación de una molécula de ácido palmítico hasta CO2. (Figura elaborada por el autor).
En la cadena respiratoria cada uno de los NADH producidos donan sus electrones al oxígeno, de acuerdo a la ecuación que se muestra en la Figura 13.30.
Figura 13.30 Ecuación que muestra el proceso mediante el cual el NADH dona un par de electrones al oxígeno. (Figura elaborada por el autor).
Al degradarse el ácido palmítico hasta CO2 se producen 31 NADH, por lo tanto, hay que multiplicar la ecuación de la Figura 13.30 por esta cantidad, lo cual se muestra en la Figura 13.31.
Figura 13.31 Ecuación que muestra el proceso mediante el cual el 31 moléculas de NADH donan un par de electrones al oxígeno. (Figura elaborada por el autor).
Las moléculas de FADH2 también donan un par de electrones al oxígeno de acuerdo a la ecuación de la Figura 13.32.
Figura 13.32 Ecuación que muestra la donación de un par de electrones desde el FADH2 hasta el oxígeno. (Figura elaborada por el autor).
Al degradarse el ácido palmítico hasta CO2 se producen 15 FADH2, de tal manera que la ecuación de la Figura 13.32 hay que multiplicarla por quince.(Figura 13.33).
Figura 13.33 Donación de pares de electrones por 15 moléculas de FADH2 hasta el oxígeno. (Figura elaborada por el autor).
Sumando las ecuaciones de las Figuras 13.29, 13.31 y 13.33 se tiene la ecuación global para la conversión de una molécula de ácido palmítico en CO2 y H2O, en un proceso que involucra a la β - oxidación, el ciclo de Krebs y la cadena respiratoria. (Figura 13.34).
Figura 13.34 Reacción total para la degradación de una molécula de ácido palmítico hasta CO2 y H2O. (Figura elaborada por el autor).
El ácido palmítico, con 16 carbonos, al degradarse hasta CO2 y H2O produce la energía necesaria para sintetizar, de manera neta, 129 moléculas de ATP. Un ácido graso, constituido por más carbonos, origina mayor cantidad de ATP.
Los ácidos grasos tienen mayor contenido energético que los carbohidratos, compárense las 36 moléculas de ATP, producidas por la degradación de una glucosa, con las 129 que se obtienen por molécula de ácido palmítico. Por lo tanto las grasas, constituidas por la unión de tres ácidos grasos con glicerol, constituyen un magnífico almacén de energía, que puede mantener la vida de un organismo durante los períodos en que no haya comida disponible.
Los osos y otros animales, al invernar, consumen triacilgliceroles almacenados en su tejido adiposo, que, al degradarse, se convierten en ácidos grasos y constituyen la única fuente de energía que tienen en la temporada de invierno. Es conocido también el hecho de que la β - oxidación de los ácidos grasos produce agua; por ello los camellos pueden durar muchos días sin ingerir líquidos, ya que en sus jorobas almacenan grandes cantidades de grasas, que son degradadas durante sus travesías por el desierto, con lo que se mantienen hidratados. Cuando se consumen alimentos en exceso, por lo general son convertidos en ácidos grasos y son almacenados como triacilgliceroles para ser usados cuando la comida sea escasa. Los triacilgliceroles se almacenan en los adipositos, las células del tejido adiposo. Cuando se requiere energía estas moléculas son hidrolizadas por la acción de las lipasas, las cuales son enzimas hidrolíticas, que dan como producto de reacción una mezcla de glicerol y ácidos grasos libres. (Figura 13.35).
El glicerol, producido por las lipasas al actuar sobre los triacilgliceroles, también es degradado. Para ello primeramente se fosforila por la acción de la enzima gliceroquinasa, produciendo glicerol - 3 - fosfato, que es deshidrogenado por la glicerol – 3 fosfato deshidrogenasa, para formar fosfato de dihidroxiacetona, un intermediario de la glucólisis, en donde puede seguir degradándose vía acetil - S - CoA y ciclo de Krebs. (Figuras 13.36 y 13.37).