La condición principal para la vida de cualquier organismo es el suministro continuo de energía, que se gasta en varios procesos celulares. Al mismo tiempo, una cierta parte de los compuestos de nutrientes no se puede usar de inmediato, pero se puede convertir en reservas. El papel de dicho reservorio lo realizan las grasas (lípidos), que consisten en glicerol y ácidos grasos. Estos últimos son utilizados por la célula como combustible. En este caso, los ácidos grasos se oxidan a CO2 y H2O.
Aspectos básicos de los ácidos grasos
Los ácidos grasos son cadenas de carbono de varias longitudes (de 4 a 36 átomos), que químicamente se clasifican como ácidos carboxílicos. Estas cadenas pueden ser ramificadas o no ramificadas y contienen diferentes números de dobles enlaces. Si estos últimos están completamente ausentes, los ácidos grasos se denominan saturados (típicos de muchos lípidos de origen animal) y, de lo contrario, -insaturado Según la disposición de los dobles enlaces, los ácidos grasos se dividen en monoinsaturados y poliinsaturados.
La mayoría de las cadenas contienen un número par de átomos de carbono, lo que se debe a la peculiaridad de su síntesis. Sin embargo, existen conexiones con un número impar de enlaces. La oxidación de estos dos tipos de compuestos es ligeramente diferente.
Características generales
El proceso de oxidación de ácidos grasos es complejo y consta de varias etapas. Comienza con su penetración en la célula y termina en la cadena respiratoria. Al mismo tiempo, las etapas finales en realidad repiten el catabolismo de los carbohidratos (el ciclo de Krebs, la transformación de la energía del gradiente transmembrana en un enlace macroérgico). Los productos finales del proceso son ATP, CO2 y agua.
La oxidación de los ácidos grasos en una célula eucariota se lleva a cabo en las mitocondrias (el sitio de localización más característico), los peroxisomas o el retículo endoplásmico.
Variedades (tipos) de oxidación
Hay tres tipos de oxidación de ácidos grasos: α, β y ω. Muy a menudo, este proceso procede por el mecanismo β y se localiza en las mitocondrias. La vía omega es una alternativa menor al mecanismo β y se lleva a cabo en el retículo endoplásmico, mientras que el mecanismo alfa es característico de un solo tipo de ácido graso (fitánico).
Bioquímica de la oxidación de ácidos grasos en las mitocondrias
Por conveniencia, el proceso de catabolismo mitocondrial se divide convencionalmente en 3 etapas:
- activación y transporte a la mitocondria;
- oxidación;
- oxidación de la acetil-coenzima A formada a través del ciclo de Krebs y la cadena de transporte eléctrico.
La activación es un proceso preparatorio que transforma los ácidos grasos en una forma disponible para transformaciones bioquímicas, ya que estas moléculas en sí mismas son inertes. Además, sin activación, no pueden penetrar las membranas mitocondriales. Esta etapa tiene lugar en la membrana externa de la mitocondria.
En realidad, la oxidación es un paso clave en el proceso. Incluye cuatro etapas, después de las cuales el ácido graso se convierte en moléculas de Acetil-CoA. El mismo producto se forma durante la utilización de carbohidratos, por lo que los pasos subsiguientes son similares a los últimos pasos de la glucólisis aeróbica. La formación de ATP se produce en la cadena de transporte de electrones, donde la energía del potencial electroquímico se utiliza para formar un enlace macroérgico.
En el proceso de oxidación de ácidos grasos, además de Acetil-CoA, también se forman moléculas de NADH y FADH2, que también entran en la cadena respiratoria como donantes de electrones. Como resultado, la producción total de energía del catabolismo de lípidos es bastante alta. Entonces, por ejemplo, la oxidación del ácido palmítico por el mecanismo β da 106 moléculas de ATP.
Activación y transferencia a la matriz mitocondrial
Los ácidos grasos en sí mismos son inertes y no se pueden oxidar. La activación los lleva a una forma disponible para transformaciones bioquímicas. Además, estas moléculas no pueden ingresar a la mitocondria sin cambios.
La esencia de la activación esla conversión de un ácido graso en su Acil-CoA-tioéster, que posteriormente se oxida. Este proceso lo llevan a cabo enzimas especiales: tiocinasas (acil-CoA sintetasas) adheridas a la membrana externa de las mitocondrias. La reacción procede en 2 etapas, asociadas con el gasto de energía de dos ATP.
Se requieren tres componentes para la activación:
- ATF;
- HS-CoA;
- Mg2+.
Primero, el ácido graso reacciona con el ATP para formar aciladenilato (un intermediario). Eso, a su vez, reacciona con HS-CoA, cuyo grupo tiol desplaza al AMP, formando un enlace tioéter con el grupo carboxilo. Como resultado, se forma la sustancia acil-CoA, un derivado de ácido graso, que se transporta a la mitocondria.
Transporte a las mitocondrias
Este paso se llama transesterificación con carnitina. La transferencia de acil-CoA a la matriz mitocondrial se lleva a cabo a través de los poros con la participación de carnitina y enzimas especiales: carnitina aciltransferasas.
Para el transporte a través de las membranas, la CoA se reemplaza por carnitina para formar acil-carnitina. Esta sustancia se transporta a la matriz mediante la difusión facilitada por el transportador de acil-carnitina/carnitina.
En el interior de la mitocondria tiene lugar una reacción inversa, consistente en el desprendimiento de retina, que vuelve a entrar en las membranas, y la restauración de acil-CoA (en este caso, se utiliza la coenzima A "local", y no es aquel con el que se formó el vínculoen la etapa de activación).
Principales reacciones de oxidación de ácidos grasos por el mecanismo β
El tipo más simple de utilización de energía de los ácidos grasos es la β-oxidación de cadenas que no tienen dobles enlaces, en las que el número de unidades de carbono es par. El sustrato para este proceso, como se indicó anteriormente, es la acil coenzima A.
El proceso de β-oxidación de los ácidos grasos consta de 4 reacciones:
- La deshidrogenación es la separación del hidrógeno de un átomo de carbono β con la formación de un doble enlace entre los eslabones de la cadena ubicados en las posiciones α y β (primer y segundo átomo). Como resultado, se forma enoil-CoA. La enzima de reacción es la acil-CoA deshidrogenasa, que actúa en combinación con la coenzima FAD (esta última se reduce a FADH2).
- La hidratación es la adición de una molécula de agua a la enoil-CoA, lo que resulta en la formación de L-β-hidroxiacil-CoA. Realizado por enoil-CoA-hidratasa.
- Deshidrogenación: oxidación del producto de la reacción anterior por la deshidrogenasa dependiente de NAD con la formación de β-cetoacil-coenzima A. En este caso, el NAD se reduce a NADH.
- Escisión de β-cetoacil-CoA en acetil-CoA y una acil-CoA acortada de 2 carbonos. La reacción se lleva a cabo bajo la acción de la tiolasa. Un requisito previo es la presencia de HS-CoA gratuito.
Entonces todo comienza de nuevo con la primera reacción.
La repetición cíclica de todas las etapas se lleva a cabo hasta que toda la cadena carbonada del ácido graso se convierte en moléculas de acetil-coenzima A.
Formación de Acetil-CoA y ATP en el ejemplo de oxidación de palmitoil-CoA
Al final de cada ciclo, las moléculas de acil-CoA, NADH y FADH2 se forman en una sola cantidad, y la cadena de acil-CoA-tioéter se acorta dos átomos. Al transferir electrones a la cadena de electrotransporte, FADH2 proporciona una molécula y media de ATP y dos de NADH. Como resultado, se obtienen 4 moléculas de ATP de un ciclo, sin contar el rendimiento energético del acetil-CoA.
La cadena del ácido palmítico tiene 16 átomos de carbono. Esto significa que en la etapa de oxidación se deben realizar 7 ciclos con la formación de ocho acetil-CoA, y el rendimiento energético de NADH y FADH2 en este caso será de 28 moléculas de ATP (4×7). La oxidación de acetil-CoA también conduce a la formación de energía, que se almacena como resultado de la entrada de los productos del ciclo de Krebs en la cadena de transporte eléctrico.
Rendimiento total de los pasos de oxidación y ciclo de Krebs
Como resultado de la oxidación de la acetil-CoA se obtienen 10 moléculas de ATP. Dado que el catabolismo de palmitoil-CoA produce 8 acetil-CoA, el rendimiento energético será de 80 ATP (10×8). Si sumas esto al resultado de la oxidación de NADH y FADH2, obtienes 108 moléculas (80+28). De esta cantidad, se deben restar 2 ATP, que fueron a activar el ácido graso.
La ecuación final para la oxidación del ácido palmítico será: palmitoil-CoA + 16 O2 + 108 Pi + 80 ADP=CoA + 108 ATP + 16 CO2 + 16 H2O.
Cálculo de la liberación de energía
Extracción de energíadel catabolismo de un determinado ácido graso depende del número de unidades de carbono en su cadena. El número de moléculas de ATP se calcula mediante la fórmula:
[4(n/2 - 1) + n/2×10] - 2, donde 4 es la cantidad de ATP generada durante cada ciclo debido a NADH y FADH2, (n/2 - 1) es el número de ciclos, n/2×10 es el rendimiento energético de la oxidación de acetil- CoA, y 2 es el costo de activación.
Características de las reacciones
La oxidación de los ácidos grasos insaturados tiene algunas peculiaridades. Así, la dificultad de oxidar cadenas con dobles enlaces radica en que estos últimos no pueden ser expuestos a la enoil-CoA-hidratasa debido a que se encuentran en posición cis. Este problema es eliminado por la enoil-CoA isomerasa, por lo que el enlace adquiere una configuración trans. Como resultado, la molécula se vuelve completamente idéntica al producto de la primera etapa de la beta-oxidación y puede hidratarse. Los sitios que contienen solo enlaces simples se oxidan de la misma manera que los ácidos saturados.
A veces, la enoil-CoA-isomerasa no es suficiente para continuar el proceso. Esto se aplica a las cadenas en las que está presente la configuración cis9-cis12 (dobles enlaces en los átomos de carbono 9 y 12). Aquí, no solo la configuración es un obstáculo, sino también la posición de los dobles enlaces en la cadena. Este último es corregido por la enzima 2,4-dienoil-CoA reductasa.
Catabolismo de ácidos grasos impares
Este tipo de ácido es típico de la mayoría de los lípidos de origen natural (natural). Esto crea una cierta complejidad, ya que cada cicloimplica acortar por un número par de enlaces. Por ello, la oxidación cíclica de los ácidos grasos superiores de este grupo continúa hasta la aparición de un compuesto de 5 carbonos como producto, que se escinde en acetil-CoA y propionil-coenzima A. Ambos compuestos entran en otro ciclo de tres reacciones, como resultado de lo cual se forma succinil-CoA. Es él quien entra en el ciclo de Krebs.
Características de la oxidación en peroxisomas
En los peroxisomas, la oxidación de ácidos grasos ocurre a través de un mecanismo beta que es similar, pero no idéntico, al mitocondrial. También consta de 4 etapas, que culminan en la formación del producto en forma de acetil-CoA, pero tiene varias diferencias clave. Así, el hidrógeno separado en la etapa de deshidrogenación no restablece el FAD, sino que pasa a oxígeno con la formación de peróxido de hidrógeno. Este último se escinde inmediatamente bajo la acción de la catalasa. Como resultado, la energía que podría haberse utilizado para sintetizar ATP en la cadena respiratoria se disipa en forma de calor.
La segunda diferencia importante es que algunas enzimas peroxisomales son específicas de ciertos ácidos grasos menos abundantes y no están presentes en la matriz mitocondrial.
La característica de los peroxisomas de las células hepáticas es que no existe un aparato enzimático del ciclo de Krebs. Por lo tanto, como resultado de la oxidación beta, se forman productos de cadena corta, que se transportan a la mitocondria para su oxidación.
