Catabolismo de Triacilglicéridos o Grasas

Los ácidos grasos que sirven de combustible a las células animales pueden proceder de los triacilgliceroles ingeridos, de los almacenados en tejidos de reserva como el adiposo o de los fabricados en el hígado a partir del excedente de glúcidos en la dieta.

Las grasas constituyen la principal reserva energética del organismo, debido a que sus átomos de carbono están casi totalmente reducidos en comparación con los de los azúcares o los aminoácidos, por lo que su oxidación proporciona más ATP. Al ser insolubles en agua no se hidratan y se pueden «empaquetar» en mayor cantidad en los tejidos de reserva.

Para poder entrar en las células, los triacilgliceroles deben ser hidrolizados por enzimas llamadas lipasas, dando glicerol y ácidos grasos:

triacilglicerol + 3 H₂O → glicerol + 3 ácidos grasos

Los ácidos grasos son transportados al interior de la célula, donde experimentan la β-oxidación.

Por su parte, el glicerol se fosforila gracias a un ATP y el glicerol 3-fosfato resultante se oxida formando NADH y dihidroxiacetona fosfato, que se incorpora a la glucólisis.

Catabolismo de Lípidos y Proteínas

El acetil-CoA representa un punto en el que convergen otros procesos catabólicos, además de la degradación de los glúcidos.

Catabolismo de Ácidos Grasos

La oxidación de los ácidos grasos ocurre principalmente en los peroxisomas de los vegetales y en las mitocondrias de los animales. El proceso comprende tres etapas:

• Activación. Los ácidos grasos con 12 carbonos o menos entran libremente en la mitocondria, y allí son activados. Pero la activación de los que tienen 14 carbonos o más tiene lugar normalmente en el lado citosólico de la membrana mitocondrial externa.

  La activación consiste en la formación de un enlace tioéster entre el grupo carboxilo y la coenzima A, lo que genera un acil-CoA (no acetil-CoA). En el proceso se produce la hidrólisis de dos enlaces de alta energía del ATP y se forma pirofosfato (PPi), cuya inmediata hidrólisis en dos fosfatos (Pi) libera gran cantidad de energía que impulsa a la reacción en el sentido de la formación del acil-CoA.

• Transporte. Los ácidos grasos activados en el lado citosólico de la membrana mitocondrial externa atraviesan ésta a través de las porinas, ya que la membrana mitocondrial interna es impermeable a los acil-CoA. Debe usarse un transportador, la carnitina. La carnitina se encarga de llevar los grupos acilo al interior de la matriz mitocondrial por medio del siguiente mecanismo:
  • Una enzima de la membrana mitocondrial externa elimina el coenzima A de la molécula de acil-CoA y, a la vez, la une a la carnitina situada en el espacio intermembrana; el CoA queda libre en el citosol para poder activar otro ácido graso.
  • A continuación, una proteína transportadora (translocasa), situada en la membrana mitocondrial interna, transfiere la acilcarnitina a la matriz mitocondrial y, paralelamente, otra enzima une una molécula de CoA de la matriz al ácido graso, regenerando así el acil-CoA.
  • La carnitina se devuelve al espacio intermembrana por la proteína transportadora y reacciona con otro acil-CoA, repitiéndose el ciclo.
• β-oxidación. Es un ciclo de cuatro pasos. Los tres primeros implican la oxidación del carbono β del acil-CoA —el segundo carbono tras el del grupo carboxilo—. El cuarto paso, la escisión entre los carbonos α y β, genera una molécula de acetil-CoA y un acil-CoA con dos carbonos menos.

  Este acil-CoA con dos carbonos menos repite el ciclo anterior hasta quedar una molécula de dos carbonos que ya es acetil-CoA.

Los electrones fluyen desde un transportador a otro con un potencial redox más positivo, y en este proceso se desprende energía que se puede acoplar a la síntesis de ATP. Dicho acoplamiento tiene lugar mediante el mecanismo sugerido en 1961 por el bioquímico británico Peter Dennis Mitchell, quien bautizó su propuesta con el nombre de hipótesis quimiosmótica, proceso que ocurre en dos etapas:

• Formación de un gradiente de protones. Los complejos I, III y IV de la cadena respiratoria actúan como bombas de protones: aprovechan la energía proporcionada por el flujo de un par de electrones para expulsar de la matriz mitocondrial hacia el espacio intermembranoso 4, 4 y 2 H⁺, respectivamente. En total, se bombean 10 H⁺ por cada NADH que cede electrones a la cadena respiratoria, y 6 H⁺ si se ceden directamente a la ubiquinona. El resultado es la formación de un gradiente en la concentración de protones a un lado y otro de la membrana mitocondrial interna.
• Utilización del gradiente de protones para formar ATP. Dado que los H⁺ llevan carga eléctrica, al acumularse a un lado de la membrana originan tanto una diferencia de potencial eléctrico con respecto al otro lado como una diferencia de pH, lo que representa una acumulación de energía. Dicha energía se libera cuando los H⁺ fluyen pasivamente de regreso a la matriz. Este retorno ocurre a través de un complejo de la membrana interna llamado ATPasa o ATP sintasa.

Comparando el número de H⁺ que se bombean por la cadena respiratoria y el número de H⁺ que se necesitan para fabricar ATP, se concluye que por cada NADH que cede sus electrones se generan 3 ATP. Sin embargo, hay que tener en cuenta que el gradiente de H⁺ no se usa únicamente para fabricar ATP. Muchos transportadores que operan en la membrana mitocondrial interna obtienen directamente su energía del gradiente de H⁺, y no del ATP. Es el caso de los transportadores que han de introducir en la matriz mitocondrial las moléculas de Pi y de ADP necesarias para la síntesis de ATP, al tiempo que dejan salir el ATP recién formado. Tales procesos consumen un H⁺ adicional, por lo que la síntesis de 3 ATP precisará, en realidad, del flujo de 13 H⁺ (10 para completar una vuelta del rotor y 3 para obtener los correspondientes ADP y Pi).

Anabolismo

Para poder reunir correctamente moléculas simples (monómeros) y formar las macromoléculas características de la célula son necesarias tres condiciones:

• Una fuente de carbono y otros bioelementos. En las células heterótrofas es orgánica y está constituida por precursores metabólicos formados durante el catabolismo, como piruvato o acetil-CoA. En las células autótrofas esta fuente de carbono es inorgánica, el CO₂.
• Información: instrucciones para seleccionar adecuadamente los monómeros que se han de unir, cifrada en la especificidad de las enzimas implicadas.
• Una fuente de energía, como el ATP, y una fuente de electrones (poder reductor) como el NADPH, aunque en algunas rutas anabólicas primitivas el poder reductor proviene del NADH, esto es, la misma coenzima que se forma en las oxidaciones catabólicas. Este es el caso de la gluconeogénesis, una ruta que tiene lugar en todos los organismos.

Biosíntesis de Polisacáridos (Glucógeno)

La glucosa que circula en exceso por la sangre de un vertebrado no se puede almacenar tal cual en el hígado ni en ningún otro órgano de reserva. Si la glucosa se hallara disuelta en el citosol de los hepatocitos alcanzaría una concentración tan alta que incrementaría la presión osmótica hasta niveles intolerables para la célula.

Si se almacena la glucosa en forma de un polisacárido como el glucógeno, la presión osmótica se relaja. El glucógeno se forma a partir de moléculas de glucosa cuyo carbono anomérico se activa por unión de un nucleótido (UDP) a través de un enlace fosfodiéster. La reacción libera pirofosfato (PPi), cuya hidrólisis inmediata impulsa la reacción hacia delante.

Posteriormente, la glucógeno sintasa transfiere residuos de glucosa desde la UDP-glucosa al extremo no reductor de una cadena de glucógeno, formando enlaces α(1 → 4).

La glucógeno sintasa no puede formar los enlaces α(1 → 6) de los puntos de ramificación del glucógeno, tarea que depende de la enzima ramificadora de glucógeno.

Anabolismo en Células Heterótrofas

Gluconeogénesis

Algunos tejidos requieren de un aporte continuo de glucosa, obteniéndola a partir del glucógeno proveniente del hígado, lo que tarda en agotarse el glucógeno almacenado en él.

Posteriormente comienza la formación de glucosa a partir de sustratos diferentes al glucógeno, la denominada gluconeogénesis, proceso clave pues permite a los organismos superiores obtener glucosa en estados metabólicos como el ayuno a partir de componentes no glucídicos.

En los animales ocurre casi exclusivamente en el hígado y en menor medida en el riñón. Incluye la utilización de varios aminoácidos, lactato, piruvato, glicerol y cualquiera de los intermediarios del ciclo de los ácidos tricarboxílicos como fuentes de carbono para la vía metabólica.

En las semillas germinadas de las plantas los ácidos grasos se degradan a acetil-CoA; a su vez, una ruta llamada ciclo del glioxilato convierte el acetil-CoA en un intermediario del ciclo de Krebs, a partir del cual se forma sacarosa mediante gluconeogénesis.

En muchos microorganismos, los sustratos de la gluconeogénesis son sustancias presentes en el medio, como acetato, lactato.

La gluconeogénesis es, a grandes rasgos, la ruta inversa a la glucólisis. La variación de energía libre de los pasos 1 (Glucosa a G6P), 3 (F6P a F1,6BP) y 10 (PEP a Piruvato) de la glucólisis es muy negativa, por lo que son irreversibles. En la gluconeogénesis estos pasos se evitan a través de los siguientes procesos especiales, llamados reacciones de rodeo (bypass):

• La conversión de piruvato en PEP ocurre en dos etapas: primero se carboxila a oxalacetato, el cual posteriormente se descarboxila y reacciona con GTP para dar fosfoenolpiruvato y GDP.
• La conversión de fructosa 1,6-bisfosfato en fructosa 6-fosfato se rodea hidrolizándose el fosfato del carbono 1, sin producirse ATP.
• La conversión de glucosa 6-fosfato en glucosa es también una simple hidrólisis de un fosfato, sin que se produzca ATP. En las células hepáticas esta reacción ocurre en el retículo endoplásmico, de manera que la glucosa formada se pueda exportar a otros tejidos, como el nervioso o el muscular.

Biosíntesis de Lípidos

Muchos lípidos incluyen ácidos grasos en su estructura. La síntesis de estas moléculas es en cierto modo la inversa de la β-oxidación, aunque hay importantes diferencias:

• Tiene lugar en el citosol (en animales) o en el estroma de los cloroplastos (en plantas), en lugar de ocurrir en las mitocondrias o en los peroxisomas.
• Utiliza NADPH como dador de electrones, no NADH.
• Durante el proceso los grupos acilo no se hallan unidos a la coenzima A, sino a uno de los grupos tiol de un complejo multienzimático, la ácido graso sintasa (AGS).
• En la β-oxidación, un ácido graso sufre la separación sucesiva de moléculas de acetil-CoA. El proceso inverso, la condensación con acetil-CoA, conllevaría una variación de energía libre muy positiva; por ello el acetil-CoA debe ser previamente activado mediante carboxilación, convirtiéndolo en una molécula de malonil-CoA.

La síntesis de un ácido graso saturado comienza con la transferencia de un grupo acetilo (con dos carbonos) y de un grupo malonilo (tres carbonos) a la AGS; ambos grupos se condensan, eliminándose un carbono en forma de CO₂ y formándose el grupo acilo de cuatro carbonos. Una nueva incorporación de otro grupo malonilo y la correspondiente descarboxilación dará lugar a un acilo de seis carbonos, y así sucesivamente.

Anabolismo en Células Autótrofas

Las células del parénquima clorofílico de las plantas terrestres, muchas células de las algas y diversas bacterias son autótrofas.

En estas células se necesitan también tres requisitos para la síntesis de sus moléculas componentes:

• Una fuente de carbono y otros bioelementos.
• Información cifrada en el ADN que se traduce en la especificidad de las enzimas.
• Fuentes de energía, primordialmente en forma de ATP y NADPH.

Asimilación del Carbono

La principal diferencia con respecto a las células heterótrofas es que la fuente de carbono no es orgánica, sino inorgánica. Es decir, estas células son capaces de asimilar carbono inorgánico en forma de CO₂ y convertirlo en compuestos orgánicos. Algunas de las rutas asimiladoras de CO₂ se presentan solo en bacterias como:

• El ciclo de Krebs inverso.
• El ciclo del hidroxipropionato. Esta ruta, limitada a bacterias verdes no sulfúreas, fija dos moléculas de CO₂ en forma de glioxilato, el cual se convierte en piruvato.
• La ruta del acetil-CoA. Es una ruta no cíclica, que reduce CO₂ a ácido fórmico.

La asimilación del carbono en las plantas, en las algas y en muchas bacterias, como las cianobacterias o las bacterias rojas, tiene lugar a través de una ruta cíclica que recibe el nombre de ciclo de Calvin-Benson-Bassham o, simplemente, ciclo de Calvin (conocido como fase oscura de la fotosíntesis).

Las enzimas involucradas en el ciclo de Calvin en las células eucariotas se localizan en el estroma de los cloroplastos, en lugar de en el citosol. Estas enzimas actúan en tres fases:

• Fase de carboxilación o de fijación. En esta primera etapa el CO₂ se condensa con una molécula de cinco átomos de carbono, la ribulosa 1,5-bisfosfato. Se forma un intermediario inestable de seis carbonos que rápidamente es hidrolizado, generando dos moléculas de 3-fosfoglicerato. La enzima que cataliza este paso es la RuBisCO.
• Fase de reducción. El 3-fosfoglicerato formado en la primera fase se reduce a gliceraldehído 3-fosfato, pero usando como fuente de electrones NADPH. A su vez, el gliceraldehído 3-fosfato se puede isomerizar a dihidroxiacetona fosfato.
• Fase de regeneración. La primera etapa en la fijación del CO₂ consume ribulosa 1,5-bisfosfato, que debe regenerarse para que el ciclo no se detenga. Por ello, de cada seis moléculas de triosa fosfato producidas en la fase de reducción, cinco se convierten en tres moléculas de ribulosa 1,5-bisfosfato.

La restante molécula de triosa fosfato puede servir de base para formar almidón en el cloroplasto y almacenarse para su uso posterior, o puede exportarse al citosol y convertirse en sacarosa.