INTRODUCCIÓN

La cetosis (^{Garzón & Oliver, 2018}), acetonemia (^{Madreseh-Ghahfarokhi et al. 2018}) o hipercetonemia (^{Duffield et al. 2009}; ^{Mann et al. 2017}) bovina, se ha definido como la concentración elevada de cuerpos cetónicos (Acetoacetato, Beta-hidroxibutirato (βHB) y Acetona) circulantes (^{Chandler et al. 2017}). Esta condición puede afectar negativamente la salud del animal, por la presentación de signos clínicos de cetosis y por la asociación que esta tiene con enfermedades puerperales, como desplazamiento de abomaso, metritis y claudicaciones (^{Duffield et al. 2009}). Se ha observado también, que en animales con cetosis subclínica, la producción de leche disminuye significativamente (^{Xu et al. 2017}, ^{Antanaitis et al. 2018}). El β-hidroxibutirato (βHB), uno de los cuerpos cetónicos, se usa para diagnosticar esta condición, por ser el más predominante y estable en la leche, la orina y el suero

En condiciones fisiológicas normales, se producen cuerpos cetónicos, que son los que proveen de energía a los tejidos extrahepáticos y su concentración no debe superar 1.2 mmol/Lt, en sangre o 0.15 mmol/Lt, en leche (^{Duffield et al. 2009}; ^{Chandler et al. 2017}). La razón, por la cual, se da un aumento en la concentración es porque las demandas de energía sobrepasan la capacidad de consumo de carbohidratos y fallan los mecanismos de adaptación contra el incremento de niveles de insulina (resistencia a la insulina), lo que es denominado balance energético negativo (BEN) (^{Herdt, 2000}; ^{Friggens et al. 2007}), caracterizado por el metabolismo de triglicéridos que, a su vez, generan el aumento en circulación de los cuerpos cetónicos (^{Langin, 2006}; ^{Smith, 2013}).

Los mecanismos fisiológicos y patológicos de producción de cuerpos cetónicos, durante el periodo de transición de la lactancia en bovinos, están explicados de manera dispersa y fragmentada en la literatura, por lo tanto, el objetivo de este modelo es integrar el conocimiento de los eventos bioquímicos fisiológicos y cómo durante el posparto esta producción se puede tornar patológica y conducir a la hipercetonemia.

MATERIALES Y MÉTODOS

Para llevar a cabo esta revisión, se tomaron artículos científicos entre 1974 y 2019, de bases de datos, como PUBMED, Science Direct, Scopus y Google académico. Mediante el análisis de estos artículos, se propone el modelo metabólico de cetogénesis, a partir de la fisiología del rumen, hígado y tejido adiposo.

Esta revisión, se realizó entre 2018 y 2019 y analizó más de 50 referencias, publicadas en los últimos 35 años, seleccionadas a criterio de los autores.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Modelo metabólico de cetogénesis a partir de la fisiología del rumen, hígado y tejido adiposo. Consiste en la agrupación de rutas metabólicas que tienen en común la síntesis de cuerpos cetónicos, bajo condiciones fisiológicas del posparto temprano de hembras bovinas lecheras. Estas rutas están relacionadas con la producción, la absorción y el metabolismo de los Ácidos Grasos Volátiles (AGV), lipolisis del tejido adiposo y beta oxidación de Ácidos Grasos No Esterificados (AGNES), en los hepatocitos (^{Engelking, 2015}). Después de la cetogénesis, como subproducto de estas rutas, los cuerpos cetónicos pueden ser usados por tejidos extrahepáticos, como fuente de Acetil CoA o incrementar sus niveles circulantes a patológicos, generando cetosis clínica o subclínica (^{Langin, 2006}; ^{Smith, 2013}).

Bioquímica bacteriana de la producción de Ácidos Grasos Volátiles (AGV) en el rumen. La masticación y el proceso de rumia consisten en fraccionar el alimento, en este caso, el forraje verde, convirtiéndolo en partículas más pequeñas, para que sea más fácil su digestión, por parte de las bacterias (^{Millen et al. 2016}). Durante este proceso, el forraje degradado por la rumia, se queda en el rumen; en este órgano, la población bacteriana presente (entre 10¹⁰ y 10¹¹ bacterias/gramo de contenido ruminal) metaboliza el sustrato y excreta AGV. La población microbiana del rumen está conformada, en su mayoría, por las bacterias celulolíticas, amilolíticas y sacarolíticas que, entre otros metabolitos, producen acetato, propionato y butirato, en diferentes concentraciones (^{Pabon, 2004}); el ejemplo de este modelo (Figuras 1 y 2), se basa en el metabolismo de las bacterias celulolíticas, que producen acetato (70%), propionato (20%) y butirato (10%). Estas bacterias son las que se encuentran en mayor cantidad en el forraje; este último, está conformado, principalmente, por celulosa, hemicelulosa y, en menor proporción, por lignina, pectina y lípidos (^{Church, 1993}; ^{Vaidya et al. 2019}).

Figura 1 Degradación de la celulosa y obtención de glucosa por parte de la bacteria celulítica ruminal. ERR: Epitelio Ruminoreticular; GLU: Glucosa; CLB: Celobiosa; BG: β-glucosidasa; EX: Exoglucanasa; EN: Endoglucanasa; CLS: Celulosa; GLU-6PO₃: Glucosa-6-fosfato. Adaptado de ^{Ratanakhanokchai et al. (2013)} y ^{Baldwin & Connor (2017)}. 

Figura 2 Bacteria celulolítica ruminal: Resumen de la glicolisis, rama dicarboxilica del ciclo de Krebs y ciclo de Wood-werkman para la producción de Acetato, butirato y propionato. 

Las bacterias celulolíticas metabolizan la celulosa por medio de la acción del complejo celulasa extracelular (CCE), que está compuesto por varias enzimas: la exoglucanasa, la endoglucanasa y la β-glucosidasa (^{Pratama et al. 2014}). Las dos primeras, actúan en la hidrólisis escalonada de la celulosa (polisacárido) hasta celobiosa (disacarido); posteriormente, la β-glucosidasa, hidroliza la celobiosa a dos moléculas de glucosa (monosacaridos) (^{Ratanakhanokchai et al. 2013}) (Figura 1). Por un canal proteico, llamado sistema fosfotransterasa (PTS), la glucosa ingresa unida a un fosfato, para producir glucosa-6-fosfato que, posteriormente, ingresa al citoplasma de la bacteria, a partir, de la cual, inicia la glicólisis y, su producto final, son dos moléculas de piruvato (^{Franklundt & Glass, 1987}; ^{Jiang et al. 2014}). El PTS, también puede transportar celobiosa hacia el interior de la bacteria (Figura 1) (^{Maas & Glass, 1991}; ^{Ratanakhanokchai et al. 2013}; ^{Jiang et al. 2014}).

El proceso de fermentación de la glucosa en el rumen por parte de las bacterias celulíticas es anaeróbico y la relación de acetato, propionato y butirato, producidos cuando la dieta se basa en forraje, es 70:20:10, respectivamente (^{Smith, 2013}).

La glicólisis bacterial se da en tres etapas: la primera o etapa preparativa, en la que hay consumo de energía sin óxido-reducción, donde el ATP se usa para fosforilar los precursores de dihidroxiacetona fosfato (DHA) y gliceraldehido-3-fosfato (G-3P) (^{Church, 1993}).

La segunda etapa, se caracteriza por la liberación de energía en forma ATP, a partir de la óxido-reducción del G-3P, que termina con la formación de dos moléculas de piruvato (^{Millen et al. 2016}). En este momento, inicia la tercera etapa: el piruvato se puede carboxilar por acción de la enzima piruvato carboxilasa y producir oxaloacetato, que ingresa al ciclo de Krebs; va a la formación de succinil-CoA que, por acción de la metimalonil mutasa es convertido en metilmalonil- CoA, precursor del ácido propiónico (^{Millen et al. 2016}; ^{Baldwin & Connor, 2017}). El piruvato, también se puede descarboxilar por acción de la enzima piruvato deshidrogenasa y producir Acetil-CoA, precursor del ácido acético y ácido butírico (Figura 2) (^{Vital et al. 2014}).

Para la formación de acetato, el Acetil-CoA es convertido en Acetil-fosfato por la enzima fosfo-transacetilasa, que permite el clivaje de un grupo CoA y la unión de un átomo de fosforo al radical acetil. Este es catalizado por la enzima acetato quinasa, que permite la liberación de una molécula de ATP y da lugar al ácido acético (Figura 2) (^{White et al. 2012}; ^{Hackmann et al. 2017}).

Para la formación de butirato, el Acetil-CoA, por medio de la enzima tiolasa, se transforma en acetoacetil-CoA, que continúa con reacciones de óxido reducción hasta llegar a butiril-CoA (^{Pabon, 2004}; ^{Wang et al. 2020}); a este compuesto, la fosfo-trans butirilasa le cliva un grupo CoA y le adhiere un átomo de fósforo, para que la butirato quinasa, actúe sobre el butiril-fosfato, facilitando la liberación de ATP, dando lugar al ácido butírico (^{Vital et al. 2014}; ^{Hackmann & Firkins, 2015}).

La producción de propionato es a partir del piruvato que, por la enzima Metil malonil-CoA que lo carboxila, produce oxalacetato, que ingresa por la rama dicarboxilica (Oxalacetato-malato-fumarato-succinil -CoA), del ciclo de Krebs y produce succinil CoA (^{Engelking, 2015}; ^{Nielsen et al. 2017}). El succinil CoA es descaboxilado a propionato (^{Nielsen et al. 2017}). La Metil Malonil CoA, simultáneamente, se produce en el ciclo de Wood-Werkman, cuando actúa sobre el piruvato y se convierte en propionil CoA que, a su vez, actúa sobre el succinil CoA y produce propionato (^{Nielsen et al. 2017}). Esta vía de producción de propionato es autolimitante porque depende de la producción de oxaloacetato, el cual, es clave para los ciclos Wood-Werkman y Krebs (^{Liu et al. 2015}).

El acetato, el propionato y el butirato corresponden a la forma disociada del producto final de la bacteria, que es Ácido acético, Ácido propiónico y Ácido Butírico, con lo cual, se pueden absorber en la pared dorsal del rumen, aunque los AGV no disociados también se pueden absorber por el rumen (^{Dijkstra et al. 2012}).

Metabolismo de los Ácidos Grasos Volátiles. Los AGV absorbidos por la pared dorsal del rumen (acetato, butirato y propionato) son la forma disociada de los ácidos grasos producidos por la fermentación bacteriana (ácido acético, ácido butírico y ácido propiónico) (Figura 2) (^{Storm et al. 2012}; ^{Van Lingen et al. 2016}; ^{Baldwin & Connor, 2017}). Se ha comprobado que los AGV pueden ingresar al epitelio ruminal por difusión simple y mediante mecanismos de difusión, facilitada a través de transportadores de monocarboxilatos (MCT-1, MCT-2 y MCT-4) e intercambiadores de sodio/protones (^{Koho et al. 2005}; ^{Kirat et al. 2006}; ²⁰⁰⁷; ^{Nakamura et al. 2018}); además, se ha comprobado de los AGV inducen la expresión de estos transportadores (^{Nakamura et al. 2018}).

Más del 50 - 75% de los AGV son absorbidos, a través del epitelio rumino-reticular (ERR) (^{Harfoot, 1981}), principalmente, por las células del estrato basal (^{Church, 1993}; ^{Baldwin & Jesse, 1991}); los AGV restantes (25 - 50%), se absorben en el omaso (^{Pratti Daniel et al. 2006}; ^{Pratti Daniel & Resende Júnior, 2012}) e intestino. Las células del ERR tienen mitocondrias altamente funcionales, donde hay compartamentalización de enzimas cetogénicas, que contribuyen significativamente a la producción de Aceto-acetato y β-hidroxibutirato (cuerpos cetónicos) (^{Leighton et al. 1983}).

Ruta cetogénica del butirato y del acetato. El epitelio ruminal es el principal productor de cuerpos cetónicos en el rumiante. Cerca del 85 al 90% del butirato es absorbido y metabolizado inicialmente por las células basales del rumen (^{Baldwin, 1998}). Después del ingreso por difusión simple o a través de transportadores de monocarboxilatosT (1, 2 o 4) (^{Nakamura et al. 2018}), la enzima Butiril-Coa sintetasa, ubicada en el citoplasma, activa el butirato, adicionándole un grupo CoA (^{Webster et al. 1965}). El transporte intracelular del butirato no está claro; sin embargo, el transporte activo por MCT-1, la difusión simple o el transporte por la unión a un grupo CoA permiten la entrada del butiril CoA a la mitocondria. Una vez dentro de la organela, el butiril CoA pasa por β-oxidación y es convertido en acetoacetil CoA (AcAc CoA) (^{Emmanuel, 1980}; ^{Emmanuel & Milligan, 1983}). La enzima acetoacetil CoA tiolasa 1 (ACAT1) puede clivar el AcAc-CoA para producir Acetil CoA y ser usado en el ciclo de Krebs (^{Kato et al. 2015}); no obstante, las enzimas del epitelio ruminal hacen que los cuerpos cetónicos se puedan producir de dos maneras: la primera, puede progresar a través del 3-hidroxi-3-metilglutaril CoA sintasa (HMG-CoA sintasa) y 3-hidroxi-3-metilglutaril CoA liasa (HMG CoA liasa) (como en las células hepáticas) o, por desacetilación de Acetoacetil CoA, catalizado por succinil CoA transferasa. Cualquier de las dos vías producen AcetoAcetato (AcAc) (^{Heitmann et al. 1987}). El paso final en la cetogénesis ruminal es la producción de βHB, que es catalizado por la enzima β-hidroxibutirato deshidrogenasa (βHB-DH) (^{Bruss, 2008}); en el bovino, esta vía es favorecida por la relación NADH:NAD, existente en las mitocondrias del epitelio ruminal (Figura 3) (^{Heitmann et al. 1987}).

Figura 3 Vías metabólicas de los Ácidos Grasos Volátiles cetogénicos. LB: Lámina Basal; EB: Estrato Basal; EE: Estrato Espinoso; EG: Estrato Granuloso; EC: Estrato Córneo; VS: Vasos Sanguíneos de la lámina basal del epitelio ruminal; MAG: Mono-Acil-Glicerol; DAG: Di-Acil-Glicerol. Adaptado de: ^{Baldwin & Connor, 2017}. 

La mayor parte del acetato es utilizado, principalmente, en la síntesis de grasa en el tejido adiposo y como sustrato energético en tejidos extrahepáticos (^{Kristensen et al. 2005}; ^{Herdt, 2000}). El acetato, también ingresa por difusión simple o a través de transportadores MCT (1 y 4) (^{Aluwong et al. 2010}), al citoplasma de las células blanco; posteriormente, interactúa con la enzima Acetil CoA sintetasa y se convierte en Acetil CoA (^{Pabon, 2004}; ^{Xiang et al. 2016}).

En el adipocito, el Acetil CoA citoplasmático marca el inicio de la lipogénesis por la vía malonil CoA, resultando en la formación de triglicéridos y colesterol (Lipogenesis); esta vía es dependiente de la activación de la enzima Acetil CoA carboxilasa (^{Matsumoto et al. 2012}).

En células de tejidos extrahepáticos, como corazón, músculo esquelético, riñón y glándula mamaria, el acetato es utilizado como fuente de energía, a partir de la enzima Acetil CoA sintetasa, que lo convierte en Acetil CoA en el citoplasma o en la mitocondria, para ser utilizado en el ciclo de Krebs (Figura 2) (^{Pabon, 2004}; ^{Xiang et al. 2016}).

Ruta glucogénica. En el epitelio ruminal, cerca del 3 - 15% del propionato es metabolizado a lactato y piruvato (^{Weigand et al. 1975}; ^{Nocek et al. 1980}; ^{Emmanuel, 1981}; ^{Baldwin & Jesse, 1996}). Posteriormente, es transportado por circulación portal al hepatocito, donde es carboxilado por la enzima Propionil-CoA carboxilasa, que se encuentra en el citoplasma de la célula (^{Wongkittichote et al. 2017}). Una vez activado (que es la adición de un grupo CoA), el propionil-CoA ingresa a la matriz mitocondrial y es convertido en metil-malonil-CoA, por el complejo de proteínas B12, a succinil CoA, que ingresa al ciclo de Krebs y sirve para la producción de oxalacetato. El oxalacetato sale al citoplasma desde la mitocondria, por medio del mecanismo de lanzadera mitocondrial. Con éste, se da inicio a la gluconeogénesis por la vía Fosfoenol piruvato (PEP) (Figura 4) (^{Watford et al. 1981}; ^{Aschenbach et al. 2010}; ^{White et al. 2012}; ^{Engelking, 2015}).

Figura 4 Descripción de la ruta metabólica del propionato, como precursor de oxalacetato y la gluconeogénesis en el hepatocito. 

Metabolismo lipolítico. La partición de nutrientes en el posparto está relacionada con el balance energético negativo y la habilidad que tiene la vaca para compensar éste, mediante la movilización de productos del tejido graso. El déficit es causado por el incremento de los requerimientos de energía para la producción de leche (^{Xu et al. 2018}).

El recurso energético extra lo saca del tejido graso, a través de la lipolisis, que consiste en la hidrólisis de Triglicéridos (TAG) por la lipoproteína lipasa, que deja, como resultado, un grupo glicerol y ácidos grasos no esterificados (AGNE´s), que pueden ser de cadena larga o media, los cuales, son transportados por la albúmina hacia el hepatocito, en donde el AGNE ingresa por difusión pasiva o facilitada, luego de ser liberado de su transportador (^{Murray et al. 2012}). El glicerol resultante de la hidrólisis, por parte de las lipasas, es transportado fuera del adipocito, por la proteína de membrana Acuaporina (^{Zhang et al. 2019}), llega al hígado, en donde ingresa al ciclo gluconeogenico, convertido en dihidroxiacetona fosfato (DHAP), por las enzimas citoplasmáticas glicerol cinasa (^{Miao et al. 2019}) y glicerol fosfato deshidrogenasa (Figura 5) (^{Wei et al. 2019}). La lipolisis es un proceso que demanda gran cantidad de energía, porque la utilización del glicerol depende de la disponibilidad tisular de la enzima glicerol cinasa que, habitualmente, se encuentra en cantidades importantes en hígado, en riñones, en intestino y en glándula mamaria lactante (^{Murray et al. 2012}).

Figura 5 Secuencia de la lipolisis y la movilización de AGNE´s desde el tejido graso hasta el hepatocito, donde ingresan a la mitocondria por el incremento de la actividad de CPT-1, y son precursores de cantidades excesivas de Acetil CoA, que no puede ingresar al ciclo de Krebs y termina en cetogénesis exacerbada. 

Metabolismo hepático, a través de la beta oxidación de ácidos grasos libres o no esterificados (Figura 5). Una vez adentro del hepatocito, el AGNE sufre un proceso de activación por la proteína de unión a ácidos grasos (FABP) y es transportado a la membrana mitocondrial en la que se encuentra el receptor, denominado Carnitil-Palmitoil transferasa-1 (CPT-1), que desplaza el grupo CoA y el ácido graso, se une a la carnitina, con lo cual, puede ingresar a la matriz de la mitocondria. Posteriormente, la Carnitil-Palmitoil transferasa 2 (CPT-2), ubicada en la membrana interna de la mitocondria, captura la molécula de carnitina, adherida al ácido graso y le devuelve un grupo CoA (^{Bruss, 2008}; ^{Murray et al. 2012}; ^{Engelking, 2015}).

La β-oxidación de los AGNE´s es un proceso cíclico de óxido-reducción y está mediado por las enzimas Acil-CoA deshidrogenasa, Enoil-CoA hidratasa, β-ketoacil-CoA deshidrogenasa y tiolasa, que dejan como resultado Acetil-CoA, disponible para ser usado en el ciclo de Krebs (^{Heitmann et al. 1987}).

Cuando el Acetil CoA no puede ser utilizado por el ciclo de Krebs, debido a que no hay grandes cantidades de oxalacetato, éste se acumula en la mitocondria, dando lugar a la formación de cuerpos cetónicos: AcAc y βHB (Figura 5) (^{Bruss, 2008}). La acetona, también es considerada un cuerpo cetónico y es formada por la descarboxilación espontánea de AcAc, principalmente, en el tejido pulmonar (^{Murray et al. 2012}). El AcAc y el βHB son la principal fuente de energía alterna en todos los tejidos extrahepáticos, principalmente corazón, músculo esquelético, glándula mamaria y riñones.

Metabolismo de los cuerpos cetónicos en los tejidos extra-hepáticos. El βHB es el cuerpo cetónico más abundante. Después de ser producido en el epitelio ruminal y en el tejido hepático es liberado del hígado hacía circulación y transportado y oxidado en las mitocondrias de tejidos periféricos (^{Murray et al. 2012}). Este proceso ocurre en la mitocondria, en una serie de reacciones, denominadas de cetolisis (^{Sangalli et al. 2018}). Después del ingreso a la célula el βHB es convertido en AcAc, por la enzima 3- hidroxibutirato deshidrogenasa (BDH); después es convertida en Acetoacetil CoA, por la enzima que limita este proceso, Succinil CoA-Acetoacetato CoA transferasa (^{Murray et al. 2012}). La enzima Acetil transferasa 1 (ACAT1) cliva el AcAc CoA, dejando como resultado, 2 moléculas de Acetil CoA, para ser utilizadas en el ciclo de Krebs (^{Sangalli et al. 2018}).

Hipercetonemia. Como se dijo anteriormente, el requerimiento energético extra en el posparto, se produce a partir de los cuerpos cetónicos, originados durante la movilización grasa, que en el hígado, por medio de la β-oxidación, se va a producir mayor cantidad de Acetil CoA. Además, la glucosa obtenida a partir del propionato está destinada a la formación de piruvato, que más tarde va a ser descarboxilado, para la formación de más Acetil CoA. Este exceso en la producción de Acetil CoA, va a ocasionar un aumento en la formación de cuerpos cetónicos, por encima de los niveles basales.

Por otro lado, para la vaca en balance energético negativo, los AGV cetogénicos (Ácido Acético y ácido butírico), que son producidos en mayor proporción por las bacterias del rumen, continúan representando una gran fuente de Acetil-CoA, que no puede entrar a ciclo de Krebs, por deficiencia de oxalacetato y, por consiguiente, sigue contribuyendo a la formación excesiva de cuerpos cetónicos, denominada hipercetonemia.

CONCLUSIÓN

La circulación plasmática de cuerpos cetónicos, se considera una condición fisiológica durante el BEN del posparto, porque estos son una fuente importante de energía, que las mitocondrias de tejidos extrahepáticos aprovechan, cuando hay suficiente oxalacetato. La disponibilidad de este último, depende del ácido propiónico, producido por las bacterias del rumen, hecho que lo posiciona como importante precursor de gluconeogénesis y ciclo de Krebs en bovinos. La condición, se considera patológica o se define como cetosis, acetonemia o hipercetonemia, en casos donde la fuente de alimento, la cantidad de leche producida, las reservas corporales de lípidos, estados de enfermedad o ayuno prolongado, puedan generar fallas en los mecanismos de adaptación a los requerimientos energéticos del BEN.