Głównym warunkiem życia każdego organizmu jest ciągłe dostarczanie energii, która jest zużywana na różne procesy komórkowe. Jednocześnie pewna część składników odżywczych nie może być wykorzystana od razu, ale może zostać przekształcona w rezerwy. Rolę takiego rezerwuaru pełnią tłuszcze (lipidy), składające się z glicerolu i kwasów tłuszczowych. Te ostatnie są wykorzystywane przez ogniwo jako paliwo. W tym przypadku kwasy tłuszczowe są utleniane do CO2 i H2O.
Podstawy kwasów tłuszczowych
Kwasy tłuszczowe to łańcuchy węglowe o różnej długości (od 4 do 36 atomów), które są chemicznie klasyfikowane jako kwasy karboksylowe. Łańcuchy te mogą być rozgałęzione lub nierozgałęzione i zawierać różną liczbę wiązań podwójnych. Jeśli te ostatnie są całkowicie nieobecne, kwasy tłuszczowe nazywane są nasyconymi (typowymi dla wielu lipidów pochodzenia zwierzęcego), a inaczej -nienasycony. Zgodnie z układem wiązań podwójnych kwasy tłuszczowe dzielą się na jednonienasycone i wielonienasycone.
Większość łańcuchów zawiera parzystą liczbę atomów węgla, co wynika ze specyfiki ich syntezy. Istnieją jednak połączenia z nieparzystą liczbą linków. Utlenianie tych dwóch typów związków jest nieco inne.
Charakterystyka ogólna
Proces utleniania kwasów tłuszczowych jest złożony i wieloetapowy. Rozpoczyna się ich penetracją do komórki, a kończy w łańcuchu oddechowym. Jednocześnie końcowe etapy faktycznie powtarzają katabolizm węglowodanów (cykl Krebsa, przemiana energii gradientu przezbłonowego w wiązanie makroergiczne). Końcowymi produktami procesu są ATP, CO2 i woda.
Utlenianie kwasów tłuszczowych w komórce eukariotycznej odbywa się w mitochondriach (najbardziej charakterystyczne miejsce lokalizacji), peroksysomach lub retikulum endoplazmatycznym.
Odmiany (typy) utleniania
Istnieją trzy rodzaje utleniania kwasów tłuszczowych: α, β i ω. Najczęściej proces ten przebiega w mechanizmie β i jest zlokalizowany w mitochondriach. Szlak omega jest niewielką alternatywą dla mechanizmu β i jest realizowany w retikulum endoplazmatycznym, podczas gdy mechanizm alfa jest charakterystyczny tylko dla jednego typu kwasu tłuszczowego (fitanowego).
Biochemia utleniania kwasów tłuszczowych w mitochondriach
Dla wygody proces katabolizmu mitochondrialnego dzieli się konwencjonalnie na 3 etapy:
- aktywacja i transport do mitochondriów;
- utlenianie;
- utlenianie powstałego acetylokoenzymu A w cyklu Krebsa i elektrycznym łańcuchu transportowym.
Aktywacja to proces przygotowawczy, który przekształca kwasy tłuszczowe w formę dostępną do przemian biochemicznych, ponieważ same cząsteczki są obojętne. Ponadto bez aktywacji nie mogą przenikać przez błony mitochondrialne. Ten etap ma miejsce na zewnętrznej błonie mitochondriów.
Właściwie utlenianie jest kluczowym etapem procesu. Obejmuje cztery etapy, po których kwas tłuszczowy jest przekształcany w cząsteczki Acetyl-CoA. Ten sam produkt powstaje podczas utylizacji węglowodanów, dzięki czemu kolejne etapy są podobne do ostatnich etapów glikolizy tlenowej. Tworzenie ATP zachodzi w łańcuchu transportu elektronów, gdzie energia potencjału elektrochemicznego jest wykorzystywana do tworzenia wiązania makroergicznego.
W procesie utleniania kwasów tłuszczowych, oprócz Acetyl-CoA, powstają również cząsteczki NADH i FADH2, które również wchodzą do łańcucha oddechowego jako donory elektronów. W rezultacie całkowita wydajność energetyczna katabolizmu lipidów jest dość wysoka. Na przykład utlenianie kwasu palmitynowego przez mechanizm β daje 106 cząsteczek ATP.
Aktywacja i transfer do macierzy mitochondrialnej
Sam kwasy tłuszczowe są obojętne i nie mogą być utlenione. Aktywacja doprowadza je do postaci dostępnej do przemian biochemicznych. Ponadto cząsteczki te nie mogą w niezmienionej postaci przedostać się do mitochondriów.
Istotą aktywacji jestkonwersja kwasu tłuszczowego do jego tioestru Acylo-CoA, który następnie ulega utlenianiu. Proces ten realizowany jest przez specjalne enzymy – tiokinazy (syntetazy Acyl-CoA) przyłączone do zewnętrznej błony mitochondriów. Reakcja przebiega w 2 etapach, związanych z wydatkowaniem energii dwóch ATP.
Do aktywacji wymagane są trzy składniki:
- ATF;
- HS-CoA;
- Mg2+.
Po pierwsze, kwas tłuszczowy reaguje z ATP, tworząc acyladenylan (półprodukt). Ten z kolei reaguje z HS-CoA, którego grupa tiolowa wypiera AMP, tworząc wiązanie tioeterowe z grupą karboksylową. W efekcie powstaje substancja acylo-CoA – pochodna kwasu tłuszczowego, która jest transportowana do mitochondriów.
Transport do mitochondriów
Ten etap nazywa się transestryfikacją karnityną. Transfer acylo-CoA do macierzy mitochondrialnej odbywa się przez pory przy udziale karnityny i specjalnych enzymów – acylotransferaz karnityny.
Do transportu przez błony CoA jest zastępowany przez karnitynę, tworząc acylo-karnitynę. Substancja ta jest transportowana do matrycy przez transporter acylo-karnityny/karnityny ułatwiający dyfuzję.
Wewnątrz mitochondriów zachodzi reakcja odwrotna, polegająca na oderwaniu siatkówki, która ponownie wnika do błon i przywróceniu acylo-CoA (w tym przypadku stosuje się „lokalny” koenzym A i nie ten, z którym powstała więźna etapie aktywacji).
Główne reakcje utleniania kwasów tłuszczowych przez mechanizm β
Najprostszym sposobem wykorzystania energetycznego kwasów tłuszczowych jest β-utlenianie łańcuchów, które nie mają podwójnych wiązań, w których liczba jednostek węgla jest parzysta. Substratem dla tego procesu, jak wspomniano powyżej, jest acylokoenzym A.
Proces β-utleniania kwasów tłuszczowych składa się z 4 reakcji:
- Odwodornienie to oddzielenie wodoru od atomu węgla β z utworzeniem podwójnego wiązania między ogniwami łańcucha znajdującymi się w pozycjach α i β (pierwszy i drugi atom). W rezultacie powstaje enoilo-CoA. Enzymem reakcyjnym jest dehydrogenaza acylo-CoA, która działa w połączeniu z koenzymem FAD (ten ostatni jest redukowany do FADH2).
- Uwodnienie to dodanie cząsteczki wody do enoilo-CoA, w wyniku czego powstaje L-β-hydroksyacylo-CoA. Przeprowadzane przez hydratazę enoilo-CoA.
- Dehydrogenacja - utlenianie produktu poprzedniej reakcji przez dehydrogenazę zależną od NAD z wytworzeniem β-ketoacylo-koenzymu A. W tym przypadku NAD jest redukowany do NADH.
- Rozszczepienie β-ketoacylo-CoA do acetylo-CoA i 2-węglowego skróconego acylo-CoA. Reakcja przebiega pod działaniem tiolazy. Warunkiem wstępnym jest obecność bezpłatnego HS-CoA.
Wtedy wszystko zaczyna się od nowa z pierwszą reakcją.
Cykliczne powtarzanie wszystkich etapów jest przeprowadzane, aż cały łańcuch węglowy kwasu tłuszczowego zostanie przekształcony w cząsteczki acetylokoenzymu A.
Tworzenie acetylo-CoA i ATP na przykładzie utleniania palmitoilo-CoA
Pod koniec każdego cyklu cząsteczki acylo-CoA, NADH i FADH2 powstają w jednej ilości, a łańcuch acylo-CoA-tioeteru skraca się o dwa atomy. Przenosząc elektrony do łańcucha elektrotransportu, FADH2 daje półtorej cząsteczki ATP, a NADH dwie. W efekcie z jednego cyklu uzyskuje się 4 cząsteczki ATP, nie licząc wydajności energetycznej acetylo-CoA.
Łańcuch kwasu palmitynowego ma 16 atomów węgla. Oznacza to, że na etapie utleniania należy przeprowadzić 7 cykli z wytworzeniem ośmiu acetylo-CoA, a wydajność energetyczna z NADH i FADH2 w tym przypadku wyniesie 28 cząsteczek ATP (4×7). Utlenianie acetylo-CoA prowadzi również do tworzenia energii, która jest magazynowana w wyniku wejścia produktów cyklu Krebsa do elektrycznego łańcucha transportowego.
Całkowita wydajność etapów utleniania i cyklu Krebsa
W wyniku utleniania acetylo-CoA otrzymuje się 10 cząsteczek ATP. Ponieważ katabolizm palmitoilo-CoA daje 8 acetylo-CoA, wydajność energetyczna wyniesie 80 ATP (10×8). Jeśli dodasz to do wyniku utleniania NADH i FADH2, otrzymasz 108 cząsteczek (80+28). Od tej ilości należy odjąć 2 ATP, które poszły na aktywację kwasu tłuszczowego.
Ostateczne równanie utleniania kwasu palmitynowego będzie wyglądać następująco: palmitoilo-CoA + 16 O2 + 108 Pi + 80 ADP=CoA + 108 ATP + 16 CO2 + 16 H2O.
Obliczanie uwalnianej energii
Wyczerpanie energiio katabolizmie danego kwasu tłuszczowego zależy ilość jednostek węglowych w jego łańcuchu. Liczbę cząsteczek ATP oblicza się według wzoru:
[4(n/2 - 1) + n/2×10] - 2, gdzie 4 to ilość ATP generowanego w każdym cyklu z powodu NADH i FADH2, (n/2 - 1) to liczba cykli, n/2×10 to wydajność energetyczna z utleniania acetylo- CoA, a 2 to koszt aktywacji.
Cechy reakcji
Utlenianie nienasyconych kwasów tłuszczowych ma pewne osobliwości. Zatem trudność utleniania łańcuchów z wiązaniami podwójnymi polega na tym, że te ostatnie nie mogą być wystawione na działanie hydratazy enoilo-CoA ze względu na to, że znajdują się one w pozycji cis. Problem ten eliminuje izomeraza enoilo-CoA, dzięki której wiązanie przybiera konfigurację trans. W efekcie cząsteczka staje się całkowicie identyczna z produktem pierwszego etapu beta-oksydacji i może ulec uwodnieniu. Miejsca zawierające tylko pojedyncze wiązania utleniają się w taki sam sposób jak kwasy nasycone.
Czasami izomeraza enoilo-CoA nie wystarcza do kontynuacji procesu. Dotyczy to łańcuchów, w których występuje konfiguracja cis9-cis12 (wiązania podwójne przy 9. i 12. atomie węgla). Tutaj przeszkodą jest nie tylko konfiguracja, ale także położenie wiązań podwójnych w łańcuchu. Ten ostatni jest korygowany przez enzym reduktazę 2,4-dienoilo-CoA.
Katabolizm nieparzystych kwasów tłuszczowych
Ten rodzaj kwasu jest typowy dla większości lipidów naturalnego (naturalnego) pochodzenia. Stwarza to pewną złożoność, ponieważ każdy cykloznacza skrócenie o parzystą liczbę linków. Z tego powodu cykliczne utlenianie wyższych kwasów tłuszczowych z tej grupy trwa aż do pojawienia się jako produktu związku 5-węglowego, który zostaje rozszczepiony na acetylo-CoA i propionylo-koenzym A. Oba związki wchodzą w kolejny cykl trzech reakcji, w wyniku czego powstaje sukcynylo-CoA. To on wchodzi w cykl Krebsa.
Cechy utleniania w peroksysomach
W peroksysomach utlenianie kwasów tłuszczowych zachodzi w mechanizmie beta, który jest podobny do mitochondrialnego, ale nie identyczny. Składa się również z 4 etapów, których kulminacją jest powstanie produktu w postaci acetylo-CoA, ma jednak kilka kluczowych różnic. Tak więc wodór odszczepiony na etapie odwodornienia nie przywraca FAD, ale przechodzi do tlenu z utworzeniem nadtlenku wodoru. Ta ostatnia natychmiast ulega rozszczepieniu pod wpływem katalazy. W rezultacie energia, która mogłaby zostać wykorzystana do syntezy ATP w łańcuchu oddechowym, jest rozpraszana w postaci ciepła.
Drugą ważną różnicą jest to, że niektóre enzymy peroksysomów są specyficzne dla niektórych mniej występujących kwasów tłuszczowych i nie są obecne w macierzy mitochondrialnej.
Cechą peroksysomów komórek wątroby jest brak aparatu enzymatycznego cyklu Krebsa. Dlatego w wyniku beta-oksydacji powstają produkty krótkołańcuchowe, które transportowane są do mitochondriów w celu utlenienia.
