Metabolismo Energético: Degradación de Lípidos y Proteínas en la Célula

Catabolismo de Lípidos

Los lípidos son una fuente crucial de combustible para la célula. Específicamente, los triglicéridos constituyen una importante reserva energética tanto en animales como en vegetales.

Lipólisis: Descomposición de Triglicéridos

La lipólisis es el proceso mediante el cual los triglicéridos y fosfolípidos, por acción de enzimas como las lipasas (y mediante procesos como la saponificación en otros contextos), se descomponen en:

• Glicerol: Este componente se convierte en dihidroxiacetona-3-fosfato, un intermediario que puede ingresar directamente en la ruta de la glucólisis.
• Ácidos grasos: Generalmente se liberan 2 o 3 moléculas de ácidos grasos por triglicérido. Estos inician un proceso de oxidación dentro de la respiración aerobia que consta de varias etapas.

Oxidación de Ácidos Grasos

La degradación de los ácidos grasos para obtener energía ocurre en las mitocondrias y sigue estos pasos:

1. Activación del Ácido Graso

   Antes de ingresar a la matriz mitocondrial para su oxidación, el ácido graso debe ser activado en el citosol, uniéndose a la Coenzima A (CoA) para formar Acil-CoA, un proceso que consume ATP.

2. Beta-oxidación (β-oxidación)

   Ya en la matriz mitocondrial, el Acil-CoA sufre un proceso cíclico llamado beta-oxidación. En cada vuelta de este ciclo:

   • Se oxida el carbono beta (β) del ácido graso.
   • Se forman moléculas de alto poder reductor: FADH₂ y NADH, que cederán sus electrones a la cadena transportadora de electrones para producir ATP.
   • Se libera una molécula de Acetil-CoA (una unidad de 2 carbonos), que continuará su oxidación en el Ciclo de Krebs.
   • Se genera un Acil-CoA con dos carbonos menos que el original, el cual inicia una nueva vuelta del ciclo de β-oxidación.

   Este proceso se repite hasta que todo el ácido graso se ha convertido en unidades de Acetil-CoA. En la última vuelta, se producen dos moléculas de Acetil-CoA.

Rendimiento Energético de la β-oxidación

Consideremos como ejemplo un ácido graso saturado de 16 carbonos (ácido palmítico):

• Activación: Consume el equivalente a 2 ATP (se gasta 1 ATP que se hidroliza a AMP + PPi, y la hidrólisis posterior del PPi equivale a gastar otro ATP).
• β-oxidación: Requiere 7 vueltas. En estas 7 vueltas se producen: 7 FADH₂ y 7 NADH. Se generan 8 moléculas de Acetil-CoA.
• Ciclo de Krebs: Las 8 moléculas de Acetil-CoA ingresan al Ciclo de Krebs. Cada una genera aproximadamente: 1 GTP (equivalente a 1 ATP), 3 NADH y 1 FADH₂. Total del Ciclo de Krebs: 8 GTP, 24 NADH, 8 FADH₂.
• Cadena Transportadora de Electrones (Fosforilación Oxidativa):
  • NADH total: 7 (de β-oxidación) + 24 (de Krebs) = 31 NADH. Cada NADH produce ~2.5 ATP → 31 x 2.5 = 77.5 ATP.
  • FADH₂ total: 7 (de β-oxidación) + 8 (de Krebs) = 15 FADH₂. Cada FADH₂ produce ~1.5 ATP → 15 x 1.5 = 22.5 ATP.
• Balance final (aproximado): 77.5 ATP (del NADH) + 22.5 ATP (del FADH₂) + 8 GTP (del Krebs) - 2 ATP (de activación) = 106 ATP netos por molécula de ácido palmítico.
• Nota: Los valores de ATP por NADH (2.5) y FADH₂ (1.5) son estimaciones comúnmente aceptadas; los valores más antiguos (3 y 2 respectivamente, como los usados en el cálculo original) darían un total mayor (31x3 + 15x2 + 8 - 2 = 93 + 30 + 8 - 2 = 129 ATP). El rendimiento exacto puede variar ligeramente.

Catabolismo de Proteínas y Ácidos Nucleicos

El catabolismo de proteínas y, en menor medida, de ácidos nucleicos, se activa en situaciones como:

• Un aporte alto de proteínas en la dieta (exceso de aminoácidos).
• Necesidad de renovar proteínas y ácidos nucleicos celulares desgastados u obsoletos.
• Condiciones de ayuno prolongado.
• Ciertas condiciones patológicas como la diabetes no controlada.

Catabolismo de Proteínas

Las proteínas intracelulares o de la dieta se descomponen primero en sus unidades constituyentes, los aminoácidos, principalmente en los lisosomas o por el proteasoma. Estos aminoácidos liberados pueden:

• Ser reutilizados para formar nuevas proteínas (síntesis proteica).
• Iniciar otras rutas metabólicas para sintetizar compuestos nitrogenados no proteicos.
• Ser degradados para producir energía.

Procesos de Degradación de Aminoácidos

Antes de que el esqueleto carbonado de un aminoácido pueda ser oxidado para obtener energía, debe desprenderse de su grupo amino (-NH₂). Esto se realiza principalmente mediante dos procesos:

1. Transaminación

   Ocurre en el citosol y la mitocondria, especialmente en el hígado. Consiste en la transferencia del grupo amino de un aminoácido a un α-cetoácido (frecuentemente α-cetoglutarato), formando un nuevo aminoácido (glutamato) y un nuevo α-cetoácido (el esqueleto carbonado del aminoácido original).

2. Desaminación Oxidativa

   Principalmente afecta al glutamato formado en la transaminación. En este proceso, que ocurre en la mitocondria, se pierde el grupo amino en forma de ion amonio (NH₄⁺), regenerando el α-cetoglutarato y produciendo NADH o NADPH. El α-cetoácido resultante (el esqueleto carbonado del aminoácido original) queda libre.

Destino del Esqueleto Carbonado (α-cetoácido)

El α-cetoácido resultante de la transaminación/desaminación puede seguir diversas rutas metabólicas:

• Transformarse en Acetil-CoA o Acetoacetil-CoA y entrar en el Ciclo de Krebs (aminoácidos cetogénicos) o ser usado para síntesis de cuerpos cetónicos o lípidos.
• Convertirse en intermediarios del Ciclo de Krebs como α-cetoglutarato, succinil-CoA, fumarato u oxalacetato (aminoácidos glucogénicos).
• Transformarse en piruvato, que puede entrar al Ciclo de Krebs (vía Acetil-CoA) o seguir otras rutas, como la gluconeogénesis para fabricar glucosa (aminoácidos glucogénicos).

Manejo del Ion Amonio (NH₄⁺)

La formación de ion amonio (NH₄⁺) durante la desaminación presenta un problema, ya que es una sustancia tóxica para el organismo, especialmente para el sistema nervioso central. El NH₄⁺ puede ser:

• Recuperado: Utilizado en la síntesis de nuevos aminoácidos o compuestos nitrogenados.
• Eliminado: Principalmente a través del ciclo de la urea en el hígado (en mamíferos), donde se convierte en urea, una sustancia menos tóxica y soluble que se excreta por la orina.

Descarboxilación de Aminoácidos

Algunos aminoácidos pueden perder su grupo carboxilo (-COOH) en forma de CO₂ mediante enzimas descarboxilasas. Este proceso forma aminas biógenas (ej. histamina, serotonina, dopamina), muchas de las cuales tienen importantes funciones fisiológicas. Sin embargo, una producción excesiva o una degradación deficiente de ciertas aminas (por ejemplo, por acción bacteriana en alimentos) puede producir intoxicación.

Catabolismo de Ácidos Nucleicos

Aunque no se detalla extensamente aquí, el catabolismo de ácidos nucleicos (ADN y ARN) implica su degradación en nucleótidos, y posteriormente en nucleósidos y bases nitrogenadas. Las bases púricas (Adenina, Guanina) se degradan a ácido úrico (en humanos y primates), mientras que las pirimidínicas (Citosina, Timina, Uracilo) se degradan a productos como β-alanina, β-aminoisobutirato, NH₄⁺ y CO₂, que pueden ingresar en otras rutas metabólicas.