CAPÍTULO 22: Oxidación de ácidos grasos: cetogénesis

Aun cuando los ácidos grasos son degradados por oxidación hacia acetil-CoA y se sintetizan a partir de esta última, la oxidación de ácidos grasos no es la inversa simple de su biosíntesis, sino que es un proceso por completo diferente que tiene lugar en un compartimiento separado de la célula. La separación entre la oxidación de los ácidos grasos en las mitocondrias y la biosíntesis en el citosol permite que cada proceso se controle de modo individual y se integre con los requerimientos del tejido. Cada paso en la oxidación de ácidos grasos incluye derivados acil-CoA, y es catalizado por enzimas separadas, utiliza NAD⁺ y FAD como coenzimas, y genera ATP. Es un proceso aerobio; requiere la presencia de oxígeno.

La oxidación aumentada de ácidos grasos es una característica de la inanición y de la diabetes mellitus, que conduce a la producción elevada de cuerpos cetónicos por el hígado (cetosis). Los cuerpos cetónicos son ácidos, y cuando se producen en exceso durante periodos prolongados, como en la diabetes, dan por resultado cetoacidosis, que por último es mortal. Dado que la gluconeogénesis depende de la oxidación de ácidos grasos, cualquier deterioro de dicha oxidación da pie a hipoglucemia. Esto ocurre en diversos estados de deficiencia de carnitina o deficiencias de enzimas esenciales en la oxidación de ácidos grasos, por ejemplo, carnitina palmitoiltransferasa, o inhibición de la oxidación de ácidos grasos por venenos, por ejemplo, hipoglicina.

Los ácidos grasos se transportan en la sangre como ácidos grasos libres (FFA)

Los FFA —también denominados ácidos grasos no esterificados (capítulo 21)— son ácidos grasos que se encuentran en el estado no esterificado. En el plasma, los FFA de cadena más larga se combinan con albúmina, y en la célula están fijos a una proteína de unión a ácido graso así que, de hecho, nunca son en realidad “libres”. Los ácidos grasos de cadena más corta son más hidrosolubles y existen como el ácido no ionizado o como un anión ácido graso.

Los ácidos grasos se activan antes de ser catabolizados

Antes de que los ácidos grasos se puedan catabolizar deben convertirse en un intermediario activo; es el único paso en la degradación completa de un ácido graso que necesita energía proveniente del ATP. En presencia de ATP y coenzima A, la enzima acil-CoA sintetasa (tiocinasa) cataliza la conversión de un ácido graso (o FFA) en un “ácido graso activo” o acil-CoA, usando un fosfato de alta energía con la formación de AMP y PP_i (figura 22-1). La pirofosfatasa inorgánica hidroliza al PP_i, con pérdida de otro fosfato de alta energía, lo que asegura que la reacción general continúe hasta que se complete. Las acil-CoA sintetasas se encuentran en el retículo endoplásmico, los peroxisomas, y dentro y sobre la membrana externa de las mitocondrias.

Los ácidos grasos de cadena larga penetran en la membrana mitocondrial interna como derivados de la carnitina

La carnitina (β-hidroxi-γ-trimetilamonio butirato), (CH₃)₃ N⁺—CH₂—CH(OH)—CH₂—COO⁻, se encuentra ampliamente distribuida, y es en particular abundante en el músculo. La acil-CoA de cadena larga (o FFA) no puede penetrar en la membrana interna de las mitocondrias. Sin embargo, en presencia de carnitina, la carnitina palmitoiltransferasa-I, situada en la membrana mitocondrial externa, transfiere grupo acilo de cadena larga de la CoA a la carnitina, lo que forma acilcarnitina y libera CoA. La acilcarnitina es capaz de penetrar en la membrana interna y tener acceso al sistema de enzimas de β-oxidación mediante el transportador por intercambio de la membrana interna carnitina-acilcarnitina translocasa. El transportador se une a la acilcarnitina y la transporta a través de la membrana en intercambio por carnitina. A continuación el grupo acilo es transferido a la CoA, de modo que se vuelve a formar acil-CoA, y se libera carnitina. Esta reacción es catalizada por la carnitina palmitoiltransferasa-II, que está situada en el interior de la membrana interna (figura 22-1).

En la vía β-oxidación (figura 22-2), dos carbonos a la vez se separan de moléculas de acil-CoA, empezando en el extremo carbonilo. La cadena se rompe entre los átomos de carbono α(2) y β(3) —de ahí el nombre β-oxidación—. Las unidades de dos carbonos que se forman son acetil-CoA; así, la palmitoil-CoA forma ocho moléculas de acetil-CoA.

El ciclo de la β-oxidación genera FADH₂ y NADH

Varias enzimas, conocidas en conjunto como “ácido graso oxidasa”, se encuentran en la matriz mitocondrial o en la membrana interna adyacentes a la cadena respiratoria. Éstas catalizan la oxidación de acil-CoA a acetil-CoA por medio de la vía de la β-oxidación. El sistema procede de manera cíclica, lo que da por resultado la degradación de ácidos grasos largos a acetil CoA. En este proceso, se generan grandes cantidades de los equivalentes reductores FADH₂ y NADH, y se usan para formar ATP mediante fosforilación oxidativa (capítulo 13) (figura 22-3).

El primer paso es la eliminación de dos átomos de hidrógeno de los átomos de carbono 2(α) y 3(β), lo cual es catalizado por la acil-CoA deshidrogenasa, y requiere FAD. Esto origina la formación de Δ²-trans-enoil-CoA y FADH₂. La reoxidación de FADH₂ por la cadena respiratoria necesita la mediación de otra flavoproteína, llamada flavoproteína transferidora de electrón (capítulo 12). Se añade agua para saturar el doble enlace y formar 3-hidroxiacil-CoA, lo cual es catalizado por la Δ²-enoil-CoA hidratasa. El derivado 3-hidroxi pasa por más deshidrogenación en el carbono 3, catalizado por la l(+)-3-hidroxiacil-CoA deshidrogenasa para formar el compuesto 3-cetoacil-CoA correspondiente. En este caso, el NAD⁺ es la coenzima involucrada. Por último, la 3-cetoacil-CoA se divide en la posición 2,3 por medio de la tiolasa (3-cetoacil-CoA-tiolasa), lo que forma acetil-CoA y una nueva acil-CoA dos carbonos más corta que la molécula de acil-CoA original. La acil-CoA más corta que se forma en la reacción de división vuelve a entrar a la vía oxidativa en la reacción 2 (figura 22-3). De esta manera, un ácido graso de cadena larga con un número par de carbonos puede ser degradado por completo a acetil-CoA (unidades C₂). Por ejemplo, después de siete ciclos, el ácido graso C16, palmitato, sería convertido en ocho moléculas de acetil CoA. Puesto que la acetil-CoA se puede oxidar hacia CO₂ y agua mediante el ciclo del ácido cítrico (que también se encuentra dentro de las mitocondrias), se logra la oxidación completa de ácidos grasos.

La oxidación de un ácido graso con un número impar de átomos de carbono da acetil-CoA más una molécula de propionil-CoA

Los ácidos grasos con un número impar de átomos de carbono se oxidan por medio de la vía de la β-oxidación, lo que produce acetil-CoA, hasta que queda un residuo de tres carbonos (propionil-CoA). Este compuesto se convierte en succinil-CoA, un constituyente del ciclo del ácido cítrico (figura 16-2). En consecuencia, el residuo propionilo de un ácido graso de cadena impar es la única parte de un ácido graso que es glucogénica.

La oxidación de ácidos grasos produce una gran cantidad de ATP

El transporte en la cadena respiratoria de electrones desde FADH₂ y NADH lleva a la síntesis de cuatro fosfatos de alta energía (capítulo 13) para cada uno de los siete ciclos necesarios para la desintegración del ácido graso C16, palmitato, hacia acetil-CoA (7 × 4 = 28). Se forma un total de 8 mol de acetil-CoA y cada uno da lugar a 10 mol de ATP en el momento de la oxidación en el ciclo del ácido cítrico, lo que hace 8 × 10 = 80 mol. Dos deben sustraerse para la activación inicial del ácido graso, lo que da una ganancia neta de 106 moles de ATP por cada mol de palmitato (cuadro 22-1), o 106 × 30.5* = 3 233 kJ; esto representa 33% de la energía libre de combustión del ácido palmítico.

Los peroxisomas oxidan ácidos grasos de cadena muy larga

Una forma modificada de β-oxidación se encuentra en los peroxisomas, y conduce a la formación de acetil-CoA y H₂O₂ (a partir del paso de deshidrogenasa enlazado a flavoproteína), que se desintegra mediante catalasa (capítulo 12). Así, esta deshidrogenación en peroxisomas no está enlazada de modo directo a fosforilación y la generación de ATP. El sistema facilita la oxidación de ácidos grasos de cadena muy larga (p. ej., C₂₀, C₂₂). Estas enzimas se inducen por dietas con alto contenido de grasa, y en algunas especies por fármacos hipolipemiantes como el clofibrato.

Las enzimas en peroxisomas no atacan a ácidos grasos de cadena más corta; la secuencia de β-oxidación termina en octanoil-CoA. Los grupos octanoilo y acetilo se oxidan más en las mitocondrias. Otra función de la β-oxidación peroxisómica es acortar la cadena lateral de colesterol en la formación de ácido biliar (capítulo 26). Asimismo, los peroxisomas participan en la síntesis de glicerolípidos éter (capítulo 24), colesterol y dolicol (figura 26-2).

La oxidación de ácidos grasos insaturados ocurre por medio de una vía de β-oxidación modificada

Los ésteres CoA de ácidos grasos insaturados se degradan mediante las enzimas que en circunstancias normales se encargan de la β-oxidación hasta que se forma un compuesto Δ³-cis-acil-CoA o uno Δ⁴-cis-acil-CoA, según la posición de los dobles enlaces (figura 22-4). El compuesto anterior se isomeriza (Δ³cis → Δ²-trans-enoil-CoA isomerasa) hacia la etapa de β-oxidación Δ²-trans-CoA correspondiente para hidratación y oxidación subsiguientes. Cualquier Δ⁴-cis-acil-CoA que quede, como en el caso del ácido linoleico, o que entre a la vía en este punto después de conversión por la acil-CoA deshidrogenasa hacia Δ²-trans- Δ⁴-cis-dienoil-CoA, luego se metaboliza como se indica en la figura 22-4.

En condiciones metabólicas relacionadas con un índice alto de oxidación de ácidos grasos, el hígado produce considerables cantidades de acetoacetato y d(–)-3-hidroxibutirato (β-hidroxibutirato). El acetoacetato pasa de manera continua por descarboxilación espontánea para dar acetona. Estas tres sustancias se conocen en conjunto como cuerpos cetónicos (también denominados cuerpos de acetona o [de modo incorrecto*] “cetonas”) (figura 22-5). El acetoacetato y el 3-hidroxibutirato son interconvertidos por la enzima mitocondrial D(–)-3-hidroxibutirato deshidrogenasa; el equilibrio es controlado por la proporción [NAD+]/[NADH] mitocondrial, es decir, el estado de redox. La concentración de cuerpos cetónicos totales en la sangre de mamíferos bien alimentados por lo normal no excede 0.2 mmol/L excepto en rumiantes, en los cuales se forma de manera continua 3-hidroxibutirato a partir de ácido butírico (un producto de la fermentación en el rumen) en la pared del rumen. In vivo, el hígado parece ser el único órgano en no rumiantes que contribuye con cantidades importantes de cuerpos cetónicos a la sangre. Los tejidos extrahepáticos los utilizan como sustratos respiratorios. La acetona es un producto de desecho que, puesto que es volátil, puede excretarse por medio de los pulmones. Dado que hay síntesis activa pero poca utilización de cuerpos cetónicos en el hígado, mientras que se usan en tejidos extrahepáticos, pero no se producen en los mismos, hay un flujo neto de los compuestos a los tejidos extrahepáticos (figura 22-6).

La 3-hidroxi-3-metilglutaril-CoA (HMG-CoA) es un intermediario en la vía de la cetogénesis

Las enzimas de las cuales depende la formación de cuerpos cetónicos se relacionan sobre todo con las mitocondrias. Dos moléculas de acetil-CoA formadas en la β-oxidación se condensan para formar acetoacetil-CoA por medio de una reversión de la reacción de la tiolasa. La acetoacetil-CoA, que es el material inicial para la cetogénesis, también surge de modo directo a partir de los cuatro carbonos terminales de un ácido graso en el transcurso de la β-oxidación (figura 22-7). La condensación de acetoacetil-CoA con otra molécula de acetil-CoA mediante la 3-hidroxi-3-metilglutaril-CoA sintasa forma 3-hidroxi-3-metilglutaril-CoA (HMG-CoA). La 3-hidroxi-3-metilglutaril-CoA liasa hace entonces que la acetil-CoA se separe de la HMG-CoA, lo que deja acetoacetato libre. Los átomos de carbono separados en la molécula de acetil-CoA se derivan de la molécula de acetoacetil-CoA original. Ambas enzimas deben estar presentes en las mitocondrias para que tenga lugar la cetogénesis. Esto sólo ocurre en el hígado y el epitelio del rumen. Desde el punto de vista cuantitativo, el d(–)-3-hidroxibutirato es el cuerpo cetónico predominante presente en la sangre y la orina cuando hay cetosis.

Los cuerpos cetónicos sirven como un combustible para tejidos extrahepáticos

Si bien un mecanismo enzimático activo produce acetoacetato a partir de acetoacetil-CoA en el hígado, el acetoacetato, una vez formado, no se puede reactivar de manera directa salvo en el citosol, donde se usa en una vía mucho menos activa como un precursor en la síntesis de colesterol (capítulo 26). Esto explica la producción neta de cuerpos cetónicos por el hígado.

En tejidos extrahepáticos, el acetoacetato se activa hacia acetoacetil-CoA por medio de la succinil-CoA-acetoacetato CoA transferasa. La CoA se transfiere desde la succinil-CoA para formar acetoacetil-CoA (figura 22-8). Con la adición de una CoA, la acetoacetil-CoA se divide en dos acetil-CoA mediante tiolasa, y se oxida en el ciclo del ácido cítrico. Si hay incremento de las cifras sanguíneas, la oxidación de cuerpos cetónicos aumenta hasta que, a una concentración de alrededor de 12 mmol/L, saturan la maquinaria oxidativa. Cuando sucede esto, una proporción grande del consumo de oxígeno puede explicarse por la oxidación de cuerpos cetónicos.

En la mayor parte de los casos, la cetonemia se debe a incremento de la producción de cuerpos cetónicos por el hígado, más que a una deficiencia de su utilización por los tejidos extrahepáticos. Aun cuando los tejidos extrahepáticos oxidan con facilidad el acetoacetato y el d(–)-3-hidroxibutirato, la acetona es difícil de oxidar in vivo, y en gran parte se volatiliza en los pulmones.

En la cetonemia moderada, la pérdida de cuerpos cetónicos por medio de la orina sólo es un porcentaje bajo de la producción y utilización totales de cuerpos cetónicos. Dado que hay efectos parecidos a umbral renal (no hay un umbral verdadero) que varían entre especies e individuos, el método preferido para evaluar la gravedad de la cetosis es la medición de la cetonemia, no de la cetonuria.

1. La cetosis no sucede in vivo a menos que haya un aumento de las cifras de FFA circulantes que surgen a partir de lipólisis de triacilglicerol en tejido adiposo. Los FFA son los precursores de cuerpos cetónicos en el hígado; este último, en condiciones tanto posprandiales como de ayuno, extrae alrededor de 30% de los FFA que pasan por él, de modo que a concentraciones altas el flujo que pasa hacia el hígado es considerable. Por ende, los factores que regulan la movilización de FFA desde el tejido adiposo son importantes en el control de la cetogénesis (figuras 22-9 y 25-8).

2. Después de captación por el hígado, los FFA son objeto de β-oxidación hacia CO₂ o cuerpos cetónicos, o de esterificación hacia triacilglicerol y fosfolípido. Hay regulación de la entrada de ácidos grasos hacia la vía oxidativa mediante la carnitina palmitoiltransferasa-I (CPT-I) (figura 22-1), y el resto de los ácidos grasos captados se esterifica. La actividad de CPT-I es baja en el estado posprandial, lo que da pie a depresión de la oxidación de ácidos grasos, y alta en la inanición, lo que permite que haya incremento de la oxidación de ácidos grasos. La malonil-CoA, el intermediario inicial en la biosíntesis de ácidos grasos (figura 23-1), formado por la acetil-CoA carboxilasa en el estado posprandial, es un potente inhibidor de la CPT-I (figura 22-10). En estas circunstancias, los FFA entran a la célula hepática en cifras bajas, y casi todos se esterifican hacia acilgliceroles y se transportan hacia afuera del hígado en lipoproteínas de muy baja densidad (VLDL). Empero, conforme la concentración de FFA aumenta con el inicio de inanición, la acil-CoA inhibe de manera directa a la acetil-CoA carboxilasa, y la (malonil-CoA) disminuye, lo que libera la inhibición de la CPT-I y permite que más acil-CoA pase por β-oxidación. Estos eventos se refuerzan en la inanición por un decremento de la proporción (insulina)/(glucagón). Así, la β-oxidación por FFA está controlada por la puerta de CPT-I hacia la mitocondria, y el saldo de la captación de FFA no oxidado es esterificado.

3. Por su parte, la acetil-CoA formada en la β-oxidación se oxida en el ciclo del ácido cítrico, o entra en la vía de la cetogénesis para formar cuerpos cetónicos. A medida que las cifras de FFA séricos se incrementan, proporcionalmente más FFA se convierte en cuerpos cetónicos, y menos se oxida por medio del ciclo del ácido cítrico hacia CO₂. La partición de acetil-CoA entre la vía cetogénica y la vía de oxidación hacia CO₂ está regulada de modo que la energía libre total captada en ATP que se produce por la oxidación de FFA permanece constante conforme su concentración en el suero cambia. Esto se aprecia cuando se comprende que la oxidación completa de 1 mol de palmitato implica una producción neta de 106 mol de ATP mediante β-oxidación y producción de CO₂ en el ciclo del ácido cítrico (véase antes), mientras que sólo se producen 26 mol de ATP cuando el acetoacetato es el producto terminal, y sólo 21 mol cuando el 3-hidroxibutirato es dicho producto. De esta manera, la cetogénesis puede considerarse un mecanismo que permite al hígado oxidar cantidades crecientes de ácidos grasos dentro de las restricciones de un sistema estrechamente acoplado de fosforilación oxidativa.

Una aminoración de las cifras de oxaloacetato, en particular dentro de la mitocondria, es posible que altere la capacidad del ciclo del ácido cítrico para metabolizar acetil-CoA y desviar la oxidación de ácidos grasos hacia la cetogénesis. Esa disminución puede ocurrir debido a un aumento de la proporción (NADH)/(NAD⁺) suscitado por incremento de la β-oxidación de ácidos grasos que afecta el equilibrio entre oxaloacetato y malato, lo que lleva a un decremento de la concentración de oxaloacetato, y cuando la gluconeogénesis está alta, lo que sobreviene cuando las cifras sanguíneas de glucosa son bajas. La activación de piruvato carboxilasa, que cataliza la conversión de piruvato en oxaloacetato, por medio de acetil-CoA, alivia en forma parcial este problema, pero en circunstancias como inanición y diabetes mellitus no tratada, los cuerpos cetónicos se producen en exceso, lo que origina cetosis.

La oxidación alterada de ácidos grasos da lugar a enfermedades que suelen mostrar vínculo con hipoglucemia

La deficiencia de carnitina puede aparecer sobre todo en el recién nacido —de modo particular en lactantes pretérmino— debido a biosíntesis inadecuada o escape renal. Las pérdidas también llegan a suceder en la hemodiálisis. Ello sugiere que en algunos enfermos el requerimiento de carnitina en la dieta es parecido al de una vitamina. Los síntomas de deficiencia son hipoglucemia, que es una consecuencia de oxidación alterada de ácidos grasos, y acumulación de lípido con debilidad muscular. El tratamiento consta de complementos de carnitina por vía oral.

La deficiencia hereditaria de CPT-I sólo afecta el hígado y ocasiona oxidación de ácidos grasos y cetogénesis reducidas, con hipoglucemia. La deficiencia de CPT-II afecta de modo primario el músculo estriado y, cuando es grave, el hígado. Los medicamentos sulfonilurea (gliburida [glibenclamida] y tolbutamida), usados en el tratamiento de la diabetes mellitus tipo 2, reducen la oxidación de ácidos grasos y, por consiguiente, la hiperglucemia al inhibir la CPT-I.

Los defectos hereditarios de las enzimas de la β-oxidación y de la cetogénesis también llevan a hipoglucemia no cetótica, coma e hígado graso. Se conocen defectos en la 3-hidroxiacil-CoA deshidrogenasa de cadenas larga y corta (la deficiencia de la enzima de cadena larga puede ser una causa de hígado graso agudo del embarazo). La deficiencia de 3-cetoacil-CoA tiolasa y de HMG-CoA liasa también afecta la degradación de leucina, un aminoácido cetogénico (capítulo 29).

La enfermedad del vómito jamaicano se produce por comer la fruta no madura del árbol Blighia sapida, que contiene la toxina hipoglicina, la cual desactiva a la acil-CoA deshidrogenasa de cadenas media y corta, lo que inhibe la β-oxidación y origina hipoglucemia. La aciduria dicarboxílica se caracteriza por la excreción de ácidos C₆–C₁₀ ω-dicarboxílicos y por hipoglucemia no cetósica, y se produce por una falta de acil-CoA deshidrogenasa de cadena media mitocondrial. La enfermedad de Refsum es un raro trastorno neurológico debido a un defecto metabólico que causa la acumulación de ácido fitánico, que se encuentra en productos lácteos, y en la grasa y carne de rumiantes. Se cree que dicho ácido tiene efectos patológicos sobre la fusión de membrana, la prenilación de proteína y la expresión de gen. El síndrome de Zellweger (cerebrohepatorrenal) ocurre en individuos que tienen una rara falta hereditaria de peroxisomas en todos los tejidos. Acumulan ácidos C₂₆-C₃₈ polienoicos en el tejido cerebral, y muestran una pérdida generalizada de funciones de peroxisomas. La enfermedad suscita síntomas neurológicos graves y la mayoría de los sujetos muere en el transcurso del primer año de vida.

La cetoacidosis se produce por cetosis prolongada

La presencia de cantidades más altas que lo normal de cuerpos cetónicos en la sangre o la orina constituye la cetonemia (hipercetonemia) o cetonuria, respectivamente. El estado general se llama cetosis. La forma básica de la cetosis sucede en la inanición, y comprende agotamiento del carbohidrato disponible junto con movilización de FFA. Este modelo general de metabolismo se exagera para producir los estados patológicos que se encuentran en la diabetes mellitus, la forma tipo 2 de la cual es cada vez más frecuente en países occidentales; la enfermedad de los corderos gemelos, y la cetosis en ganado vacuno en lactación. Las formas no patológicas de cetosis se encuentran en situaciones de alimentación con alto contenido de grasa y luego de ejercicio intenso durante el estado posterior a la absorción.

Los ácidos acetoacético y 3-hidroxibutírico son moderadamente fuertes, y están amortiguados cuando están presentes en sangre u otros tejidos. Con todo, su excreción continua en gran cantidad agota de manera progresiva la reserva de álcalis, lo que produce cetoacidosis. Esto puede ser mortal en la diabetes mellitus no controlada.

• La oxidación de ácidos grasos en las mitocondrias conduce a la generación de grandes cantidades de ATP mediante un proceso llamado β-oxidación que divide unidades de acetil-CoA de modo secuencial a partir de cadenas de acil graso. La acetil-CoA se oxida en el ciclo del ácido cítrico, lo que genera más ATP.

• Los cuerpos cetónicos (acetoacetato, 3-hidroxibutirato y acetona) se forman en las mitocondrias hepáticas, cuando hay un índice alto de oxidación de ácidos grasos. La vía de la cetogénesis incluye síntesis y desintegración de 3-hidroxi-3-metilglutaril-CoA (HMG-CoA) por medio de dos enzimas clave, la HMG-CoA sintasa y la HMG-CoA liasa.

• Los cuerpos cetónicos son combustibles importantes en tejidos extrahepáticos.

• La cetogénesis está regulada en tres pasos cruciales: 1) el control de la movilización de FFA desde el tejido adiposo; 2) la actividad de la carnitina palmitoiltransferasa-I en el hígado, que determina la proporción del flujo de ácidos grasos que se oxida en lugar de esterificarse, y 3) partición de acetil-CoA entre la vía de la cetogénesis y el ciclo del ácido cítrico.

• Las enfermedades relacionadas con deterioro de la oxidación de ácidos grasos llevan a hipoglucemia, infiltración grasa de órganos, e hipocetonemia.

• La cetosis es leve en la inanición pero grave en la diabetes mellitus y en la cetosis de rumiantes.