Preparación: activación y transporte
Antes de participar en las reacciones químicas, los ácidos grasos (AG) que ingresan a la célula deben ser activados. Este proceso requiere un gasto energético y ocurre con la participación de la enzima acil-CoA sintetasa. Se forma acil-CoA, la forma activa del ácido graso unida a la coenzima A.
La oxidación posterior se lleva a cabo dentro de las mitocondrias; sin embargo, su membrana interna es absolutamente impermeable al acil-CoA. Para transportar el combustible hacia la matriz, se utiliza un sistema especial: la lanzadera de carnitina:
- En la membrana externa, la enzima reguladora carnitina palmitoiltransferasa I transfiere el resto acilo a la carnitina.
- Una proteína translocasa especial transporta la acilcarnitina resultante a través de la membrana.
- En el lado interno, la carnitina palmitoiltransferasa II devuelve el acilo a la coenzima A intramitocondrial. El combustible está listo para la oxidación.
Ciclo de $\beta$-oxidación: 4 reacciones
El proceso en sí se denomina «$\beta$-oxidación» porque la ruptura del enlace siempre ocurre en el átomo de carbono $\beta$ del radical del ácido graso. En cada ciclo, el ácido se acorta en dos átomos de carbono. Un ciclo consta de cuatro etapas sucesivas:
- Primera deshidrogenación. La enzima acil-CoA deshidrogenasa extrae hidrógeno, transfiriéndolo a la coenzima FAD. Se forma un doble enlace.
- Hidratación. La enzima enoil-CoA hidratasa añade una molécula de agua en el sitio del doble enlace.
- Segunda deshidrogenación. La oxidación continúa con la participación de la $\beta$-hidroxiacil-CoA deshidrogenasa y la coenzima $NAD^+$.
- Escisión (reacción de la tiolasa). Con la participación de la coenzima A, se escinde un fragmento de dos carbonos: el acetil-CoA. El acil-CoA acortado restante pasa a la siguiente ronda.
Los ciclos se repiten hasta que toda la cadena del ácido graso se degrada a moléculas de acetil-CoA.
Balance energético (fórmula del ATP)
La cantidad de energía depende del número de átomos de carbono en el ácido ($n$).
- A partir del ácido se forman $\frac{n}{2}$ moléculas de acetil-CoA. Cada molécula, al ingresar al ciclo de los ácidos tricarboxílicos (TCA), produce 12 ATP.
- El número de ciclos de $\beta$-oxidación propiamente dichos es siempre uno menos: $(\frac{n}{2} - 1)$. En el último ciclo ingresa un fragmento de cuatro carbonos que se escinde inmediatamente en dos moléculas de acetil-CoA. Cada ciclo de $\beta$-oxidación genera 5 ATP (debido a la reducción de FAD y $NAD^+$ y su posterior oxidación en la cadena respiratoria).
- De la suma final es necesario restar 2 ATP, que se gastaron en la etapa inicial de activación.
Ejemplo: la oxidación completa del ácido esteárico (18 átomos de carbono) produce 120 ATP, lo que convierte a las grasas en el combustible más energético del organismo.
Importante: El proceso es imposible sin oxígeno. En condiciones anaeróbicas se bloquea la cadena de transporte de electrones, las coenzimas no se regeneran y la oxidación se detiene.
Regulación: saciedad frente a ayuno
La principal enzima reguladora de la vía es la carnitina palmitoiltransferasa I, y su inhibidor más potente es el malonil-CoA.
- Después de comer (insulina): en el organismo se activa la biosíntesis de ácidos grasos. Uno de los productos intermedios de esta síntesis es el malonil-CoA. Este bloquea la lanzadera de carnitina. Los ácidos grasos no pueden ingresar a las mitocondrias, por lo que su oxidación se detiene (la síntesis y la degradación no ocurren simultáneamente).
- Durante el ayuno o el ejercicio físico (glucagón, adrenalina): la concentración de malonil-CoA cae drásticamente. Se elimina el bloqueo del transportador, la $\beta$-oxidación se acelera y los ácidos grasos se convierten en la principal fuente de energía para los músculos, el corazón y el hígado.
Metabolismo cerebral y cuerpos cetónicos
A pesar del alto contenido energético de las grasas, el cerebro no puede utilizarlas. Los ácidos grasos son hidrófobos y no son capaces de atravesar la barrera hematoencefálica (BHE).
En condiciones de ayuno prolongado, el hígado acude al rescate. Este redirige aproximadamente el 50% de los ácidos grasos que recibe hacia una vía alternativa: la cetogénesis. Los cuerpos cetónicos sintetizados penetran fácilmente en el cerebro y le sirven como una fuente confiable de energía de reserva, salvando al organismo de la muerte ante el déficit de carbohidratos.
En resumen: respuestas a preguntas sobre el tema
¿Qué vitaminas son necesarias para la síntesis de coenzimas que participan en la beta-oxidación?
Para la síntesis de coenzimas que participan en la $\beta$-oxidación se necesitan las vitaminas B₂, PP y B₅.
- Riboflavina (B₂): precursor de la coenzima FAD, que participa en la primera reacción de deshidrogenasa: FAD → FADH₂.
- Ácido nicotínico / niacina (PP, B₃): precursor de la coenzima NAD⁺, que participa en la segunda reacción de deshidrogenasa: NAD⁺ → NADH + H⁺.
- Ácido pantoténico (B₅): precursor de la coenzima A (HS-CoA), que participa en la activación de los ácidos grasos y en la reacción de tiolasa de escisión del $\beta$-cetoacil-CoA.
Es fácil recordar las 4 etapas del ciclo con la regla nemotécnica DHDR: Deshidrogenación, Hidratación, Deshidrogenación, Ruptura.
Preguntas de clases y exámenes
¿Por qué los eritrocitos no utilizan los ácidos grasos como fuente de energía?
Los eritrocitos carecen de mitocondrias, mientras que la $\beta$-oxidación ocurre exclusivamente en la matriz mitocondrial y depende estrictamente de la cadena de transporte de electrones.
¿Para qué sirve la carnitina?
La membrana interna mitocondrial es totalmente impermeable a los ácidos grasos activados (acil-CoA). La carnitina se une al grupo acilo y actúa como una «lanzadera», transportándolo hacia el interior de la matriz.
¿Cómo cambiará la velocidad de la $\beta$-oxidación en caso de hipoxia?
La velocidad caerá a cero. Sin oxígeno se detiene la cadena respiratoria (CTE), se acumula NADH y las coenzimas de las deshidrogenasas ($NAD^+$ y FAD) no pueden reoxidarse para nuevas reacciones de oxidación.
Qué más repasar sobre el tema
- Características de la oxidación de ácidos grasos insaturados utilizando el ejemplo del ácido oleico
- Perfil hormonal y regulación de la $\beta$-oxidación en el músculo esquelético durante el ejercicio
- Análisis comparativo de los procesos de biosíntesis y $\beta$-oxidación de ácidos grasos
- Mecanismo de activación de la proteína kinasa dependiente de AMP ante el déficit de ATP
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