Qué son los cuerpos cetónicos y para qué sirven
Este grupo incluye tres sustancias:
- Acetoacetato: el cuerpo cetónico primario.
- β-hidroxibutirato: la principal forma de transporte en la sangre.
- Acetona: un subproducto que no se utiliza para obtener energía y se excreta a través de la respiración y la orina.
La función principal de los cuerpos cetónicos es suministrar energía a los tejidos cuando hay escasez de carbohidratos. A diferencia de los ácidos grasos, son solubles en agua y atraviesan libremente la barrera hematoencefálica, convirtiéndose en un combustible de importancia crítica para el cerebro durante el ayuno prolongado. También son utilizados activamente por el corazón y los músculos esqueléticos.
Cómo se produce la cetogénesis
La síntesis de los cuerpos cetónicos ocurre en las mitocondrias del hígado. El sustrato inicial es el acetil-CoA, que se forma durante la oxidación de los ácidos grasos.
El proceso se desencadena por la deficiencia de glucosa (ayuno, esfuerzo intenso, diabetes mellitus). En estas condiciones, las hormonas (glucagón, adrenalina) estimulan la degradación de las grasas. El hígado recibe un exceso de ácidos grasos, los cuales se oxidan y acumulan acetil-CoA.
Al mismo tiempo, el ciclo de Krebs se desacelera (debido a la desviación del oxaloacetato hacia la síntesis de glucosa). El acetil-CoA «sobrante» se destina a la cetogénesis. La enzima clave del proceso es la HMG-CoA sintasa.
Oxidación de los cuerpos cetónicos en los tejidos
Para proporcionar energía, los cuerpos cetónicos deben penetrar en las mitocondrias de los tejidos periféricos (cerebro, músculos).
- El β-hidroxibutirato se oxida a acetoacetato (se produce NADH, que rinde 2.5 ATP).
- El acetoacetato es activado por la enzima succinil-CoA:acetoacetato-CoA transferasa (tioforasa). El donador de CoA es el succinil-CoA del ciclo de Krebs.
- Se forma acetoacetil-CoA, que se escinde en dos moléculas de acetil-CoA. Estas se oxidan en el ciclo de Krebs, produciendo 20 ATP.
Curiosamente, el hígado, que produce cuerpos cetónicos, no puede utilizarlos por sí mismo ya que carece de la enzima tioforasa. Tampoco son consumidos por los eritrocitos debido a la ausencia de mitocondrias.
Patología: cetoacidosis
Durante el ayuno prolongado o la diabetes mellitus, la síntesis de cuerpos cetónicos supera la capacidad de los tejidos para utilizarlos. Se desarrolla cetonemia (aumento de la concentración en sangre).
Dado que el acetoacetato y el β-hidroxibutirato son ácidos, su acumulación disminuye el pH sanguíneo, provocando acidosis metabólica. El mayor contribuyente al cambio de pH es el β-hidroxibutirato, cuya concentración aumenta drásticamente.
El exceso de acetoacetato se convierte espontáneamente en acetona. El organismo intenta eliminar el exceso de cuerpos cetónicos a través de los riñones (cetonuria) y los pulmones (aparición de olor a acetona en el aliento).
En resumen: respuestas a preguntas sobre el tema
¿Qué enzimas catalizan las reacciones secuenciales de la cetogénesis?
Las reacciones secuenciales de la síntesis de cuerpos cetónicos ocurren en la matriz mitocondrial de los hepatocitos y son catalizadas por las siguientes enzimas:
- Tiolasa: cataliza la condensación de 2 moléculas de acetil-CoA para formar acetoacetil-CoA; se libera HS-CoA.
- HMG-CoA sintasa: cataliza la formación de HMG-CoA a partir de acetoacetil-CoA, acetil-CoA y H₂O; es la enzima clave de la cetogénesis y la enzima que limita la velocidad de la vía.
- HMG-CoA liasa: cataliza la lisis del HMG-CoA para formar acetoacetato y acetil-CoA.
A continuación, el acetoacetato puede reducirse a β-hidroxibutirato o, en caso de alta concentración, sufrir una descarboxilación espontánea no enzimática para convertirse en acetona.
¿Qué hormonas estimulan e inhiben la síntesis de cuerpos cetónicos?
La síntesis de cuerpos cetónicos aumenta con niveles bajos de insulina y bajo la acción de hormonas que activan la lipólisis y aumentan el flujo de ácidos grasos hacia el hígado.
- Glucagón: durante el ayuno, activa la lipólisis, aumenta el flujo de ácidos grasos hacia el hígado y tiene un efecto cetogénico; también estimula la gluconeogénesis, lo cual está asociado con la desviación del oxaloacetato y la inhibición del ciclo del ácido cítrico (CAC).
- Adrenalina: durante el ejercicio físico, activa la movilización de grasas, lo que aumenta el flujo de ácidos grasos hacia el hígado y promueve la intensificación de la cetogénesis.
- Cortisol: pertenece a las hormonas contrasinsulares; su exceso, junto con el glucagón y la adrenalina, se señala como un factor de cetoacidosis en la diabetes mellitus.
- Insulina: inhibe la lipólisis en el tejido adiposo; en caso de deficiencia de insulina, se elimina esta inhibición, aumenta la liberación de ácidos grasos libres a la sangre y se intensifica la cetogénesis.
¿Cuántas moléculas de ATP se forman durante la oxidación completa de una molécula de beta-hidroxibutirato a CO2 y H2O?
Durante la oxidación completa de una molécula de $\beta$-hidroxibutirato a $CO_2$ y $H_2O$ se forman 21.5 o 22.5 moléculas de ATP (o 26 ATP según los coeficientes antiguos).
El balance energético se compone de las siguientes etapas:
- La oxidación del $\beta$-hidroxibutirato a acetoacetato produce 1 NADH, lo que equivale a 2.5 ATP.
- La escisión del acetoacetil-CoA produce 2 moléculas de acetil-CoA, cuya oxidación en el ciclo de Krebs aporta 20 ATP ($2 \times 10$).
- En la etapa de activación del acetoacetato se consume la energía del enlace de alta energía del succinil-CoA, por lo que no se forma 1 GTP en el ciclo de Krebs (equivalente a 1 ATP). Al restar esta pérdida, el rendimiento final es de 21.5 ATP.
¿En qué se diferencia la cetosis fisiológica de la cetoacidosis diabética?
En cuanto a las fuentes, el uso adaptativo de los cuerpos cetónicos y la cetoacidosis diabética se pueden contraponer de la siguiente manera:
| Característica | Aumento de la formación y utilización de cuerpos cetónicos durante el ayuno, la actividad física o una dieta baja en carbohidratos. | Cetoacidosis diabética |
|---|---|---|
| Causas | Ayuno, ejercicio físico intenso prolongado, dieta alta en grasas y baja en carbohidratos. | Diabetes mellitus con deficiencia absoluta o relativa de insulina y exceso de hormonas contrasinsulares. |
| Significado metabólico | Los cuerpos cetónicos pueden utilizarse como fuente de energía; durante el ayuno prolongado son utilizados por el cerebro, los músculos esqueléticos y el miocardio. | La tasa de síntesis de cuerpos cetónicos supera la velocidad de su utilización por los tejidos periféricos. |
| Consecuencias | Los cuerpos cetónicos sirven como una fuente alternativa de energía y son capaces de atravesar la barrera hematoencefálica. | Se desarrollan cetonemia, cetonuria y acidosis metabólica; es posible el coma cetoacidótico. Sin tratamiento, la afección pone en riesgo la vida. |
¿Qué enzimas participan en el proceso de utilización (oxidación) de los cuerpos cetónicos en los tejidos periféricos?
El proceso de utilización de los cuerpos cetónicos ocurre en las mitocondrias de los tejidos periféricos (cerebro, músculos esqueléticos, miocardio) con la participación de tres enzimas principales.
- $\beta$-hidroxibutirato deshidrogenasa: oxida el $\beta$-hidroxibutirato a acetoacetato con la reducción de la coenzima $NAD^+$.
- Succiril-CoA-acetoacetato transferasa (también conocida como tioforasa): activa el acetoacetato transfiriéndole la coenzima A del succinil-CoA para formar acetoacetil-CoA. Esta enzima está ausente en el hígado.
- Tiolasa: realiza la escisión tiolítica del acetoacetil-CoA en dos moléculas de acetil-CoA, que luego ingresan al ciclo de los ácidos tricarboxílicos para producir energía.
Preguntas de clases y exámenes
¿Por qué el hígado no utiliza los cuerpos cetónicos a pesar de sintetizarlos?
Los hepatocitos carecen de la enzima succinil-CoA-acetoacetato transferasa (tioforasa), necesaria para activar el acetoacetato. Por lo tanto, el hígado solo trabaja para la «exportación».
¿Pueden los eritrocitos nutrirse de cuerpos cetónicos?
No. El proceso de oxidación de los cuerpos cetónicos ocurre exclusivamente en las mitocondrias, de las cuales carecen los eritrocitos.
¿Por qué disminuye la velocidad del ciclo de Krebs en el hígado durante el ayuno?
Debido a la alta concentración de NADH, el oxalacetato se convierte en malato y pasa al citosol para la gluconeogénesis. Se produce un déficit de oxalacetato, sin el cual el ciclo de Krebs no puede utilizar eficazmente el acetil-CoA.
Qué más repasar sobre el tema
- Cálculo detallado del rendimiento energético (ATP) durante la oxidación del $\beta$-hidroxibutirato
- Regulación hormonal de la lipólisis en el tejido adiposo (papel del glucagón y la adrenalina)
- Regulación alostérica de las enzimas del ciclo de los ácidos tricarboxílicos
- Relación entre la $\beta$-oxidación de los ácidos grasos y la cetogénesis
- Mecanismos de compensación del equilibrio ácido-base en la cetoacidosis
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