Glavni uvjet za život svakog organizma je kontinuirana opskrba energijom koja se troši na različite stanične procese. Pritom se određeni dio hranjivih spojeva ne može odmah iskoristiti, već se može pretvoriti u rezerve. Ulogu takvog rezervoara obavljaju masti (lipidi), koji se sastoje od glicerola i masnih kiselina. Potonje ćelije koriste kao gorivo. U ovom slučaju, masne kiseline se oksidiraju u CO2 i H2O.
Osnove masnih kiselina
Masne kiseline su ugljikovi lanci različitih duljina (od 4 do 36 atoma), koji se kemijski klasificiraju kao karboksilne kiseline. Ti lanci mogu biti razgranati ili nerazgranati i sadržavati različit broj dvostrukih veza. Ako su potonje potpuno odsutne, masne kiseline se nazivaju zasićene (tipične za mnoge lipide životinjskog podrijetla), a inače -nezasićen. Prema rasporedu dvostrukih veza, masne kiseline se dijele na jednostruko nezasićene i polinezasićene.
Većina lanaca sadrži paran broj ugljikovih atoma, što je posljedica osobitosti njihove sinteze. Međutim, postoje veze s neparnim brojem poveznica. Oksidacija ove dvije vrste spojeva je malo drugačija.
Opće karakteristike
Proces oksidacije masnih kiselina složen je i višestupanjski. Počinje njihovim prodorom u stanicu, a završava u respiratornom lancu. Ujedno, završne faze zapravo ponavljaju katabolizam ugljikohidrata (Krebsov ciklus, transformacija energije transmembranskog gradijenta u makroergijsku vezu). Konačni proizvodi procesa su ATP, CO2 i voda.
Oksidacija masnih kiselina u eukariotskoj stanici provodi se u mitohondrijima (najkarakterističnije mjesto lokalizacije), peroksisomima ili endoplazmatskom retikulumu.
Vrste (vrste) oksidacije
Postoje tri vrste oksidacije masnih kiselina: α, β i ω. Najčešće se ovaj proces odvija β-mehanizmom i lokaliziran je u mitohondrijima. Omega put je manja alternativa β-mehanizmu i provodi se u endoplazmatskom retikulumu, dok je alfa mehanizam karakterističan samo za jednu vrstu masne kiseline (fitanske).
Biokemija oksidacije masnih kiselina u mitohondrijima
Radi praktičnosti, proces mitohondrijskog katabolizma konvencionalno je podijeljen u 3 faze:
- aktivacija i transport do mitohondrija;
- oksidacija;
- oksidacija formiranog acetil-koenzima A kroz Krebsov ciklus i električni transportni lanac.
Aktivacija je pripremni proces koji pretvara masne kiseline u oblik koji je dostupan za biokemijske transformacije, budući da su te molekule same po sebi inertne. Osim toga, bez aktivacije ne mogu prodrijeti u mitohondrijske membrane. Ova faza se odvija na vanjskoj membrani mitohondrija.
Zapravo, oksidacija je ključni korak u procesu. Uključuje četiri stupnja, nakon kojih se masna kiselina pretvara u molekule acetil-CoA. Isti produkt nastaje tijekom iskorištavanja ugljikohidrata, tako da su sljedeći koraci slični posljednjim koracima aerobne glikolize. Stvaranje ATP-a događa se u lancu prijenosa elektrona, gdje se energija elektrokemijskog potencijala koristi za stvaranje makroergijske veze.
U procesu oksidacije masnih kiselina, osim acetil-CoA nastaju i molekule NADH i FADH2, koje također ulaze u dišni lanac kao donori elektrona. Kao rezultat toga, ukupna izlazna energija katabolizma lipida je prilično visoka. Tako, na primjer, oksidacija palmitinske kiseline β-mehanizmom daje 106 ATP molekula.
Aktivacija i prijenos u mitohondrijsku matricu
Masne kiseline su same po sebi inertne i ne mogu se oksidirati. Aktivacija ih dovodi u oblik dostupan za biokemijske transformacije. Osim toga, ove molekule ne mogu ući u mitohondrije nepromijenjene.
Suština aktivacije jepretvorba masne kiseline u njezin Acyl-CoA-tioester, koji nakon toga prolazi kroz oksidaciju. Taj proces provode posebni enzimi - tiokinaze (Acyl-CoA sintetaze) pričvršćene na vanjsku membranu mitohondrija. Reakcija se odvija u 2 stupnja, povezane s utroškom energije dva ATP-a.
Za aktivaciju su potrebne tri komponente:
- ATF;
- HS-CoA;
- Mg2+.
Prvo, masna kiselina reagira s ATP-om da nastane aciladenilat (intermedijer). To pak reagira s HS-CoA, čija tiolna skupina istiskuje AMP, tvoreći tioetersku vezu s karboksilnom skupinom. Kao rezultat toga nastaje tvar acil-CoA - derivat masne kiseline, koji se transportira u mitohondrije.
Transport u mitohondrije
Ovaj korak se zove transesterifikacija s karnitinom. Prijenos acil-CoA u mitohondrijski matriks provodi se kroz pore uz sudjelovanje karnitina i posebnih enzima - karnitin aciltransferaza.
Za transport kroz membrane, CoA se zamjenjuje karnitinom kako bi nastao acil-karnitin. Ova tvar se transportira u matriks pomoću acil-karnitina/karnitina transportera olakšane difuzije.
Unutar mitohondrija odvija se inverzna reakcija, koja se sastoji u odvajanju retine, koja ponovno ulazi u membrane, i obnavljanju acil-CoA (u ovom slučaju se koristi "lokalni" koenzim A, i ne onaj s kojim je nastala vezau fazi aktivacije).
Glavne reakcije oksidacije masnih kiselina β-mehanizmom
Najjednostavniji način iskorištavanja energije masnih kiselina je β-oksidacija lanaca koji nemaju dvostruke veze, u kojoj je broj ugljikovih jedinica paran. Supstrat za ovaj proces, kao što je gore navedeno, je acil koenzim A.
Proces β-oksidacije masnih kiselina sastoji se od 4 reakcije:
- Dehidrogenacija je odvajanje vodika od β-ugljikovog atoma uz stvaranje dvostruke veze između karika lanca smještenih u α i β-položajima (prvi i drugi atom). Kao rezultat, nastaje enoil-CoA. Reakcijski enzim je acil-CoA dehidrogenaza, koja djeluje u kombinaciji s koenzimom FAD (potonji se reducira u FADH2).
- Hidracija je dodavanje molekule vode enoil-CoA, što rezultira stvaranjem L-β-hidroksiacil-CoA. Izvodi enoil-CoA-hidrataza.
- Dehidrogenacija - oksidacija produkta prethodne reakcije NAD-ovisnom dehidrogenazom uz stvaranje β-ketoacil-koenzima A. U ovom slučaju, NAD se reducira u NADH.
- Cijepanje β-ketoacil-CoA u acetil-CoA i skraćeni acil-CoA s 2 ugljika. Reakcija se provodi pod djelovanjem tiolaze. Preduvjet je prisutnost slobodnog HS-CoA.
Onda sve počinje iznova s prvom reakcijom.
Ciklično ponavljanje svih faza se provodi dok se cijeli ugljični lanac masne kiseline ne pretvori u molekule acetil-koenzima A.
Tvorba acetil-CoA i ATP-a na primjeru oksidacije palmitoil-CoA
Na kraju svakog ciklusa formiraju se molekule acil-CoA, NADH i FADH2 u jednoj količini, a acil-CoA-tioeterski lanac postaje kraći za dva atoma. Prijenosom elektrona u elektrotransportni lanac FADH2 daje jednu i pol molekulu ATP-a, a NADH dvije. Kao rezultat, 4 molekule ATP-a dobivaju se iz jednog ciklusa, ne računajući energetski prinos acetil-CoA.
Lanac palmitinske kiseline ima 16 atoma ugljika. To znači da u fazi oksidacije treba provesti 7 ciklusa s stvaranjem osam acetil-CoA, a energetski prinos od NADH i FADH2 u ovom slučaju će biti 28 ATP molekula (4×7). Oksidacija acetil-CoA također ide do stvaranja energije, koja se pohranjuje kao rezultat ulaska proizvoda Krebsovog ciklusa u električni transportni lanac.
Ukupni prinos koraka oksidacije i Krebsovog ciklusa
Kao rezultat oksidacije acetil-CoA, dobiva se 10 ATP molekula. Budući da katabolizam palmitoil-CoA daje 8 acetil-CoA, energetski prinos će biti 80 ATP (10×8). Ako ovo dodate rezultatu oksidacije NADH i FADH2, dobit ćete 108 molekula (80+28). Od ove količine treba oduzeti 2 ATP-a, koji su otišli za aktiviranje masne kiseline.
Konačna jednadžba za oksidaciju palmitinske kiseline bit će: palmitoil-CoA + 16 O2 + 108 Pi + 80 ADP=CoA + 108 ATP + 16 CO2 + 16 H2O.
Izračun oslobađanja energije
Energijski ispušni plino katabolizmu određene masne kiseline ovisi o broju ugljikovih jedinica u njezinu lancu. Broj molekula ATP-a izračunava se po formuli:
[4(n/2 - 1) + n/2×10] - 2, gdje je 4 količina ATP-a stvorena tijekom svakog ciklusa zbog NADH i FADH2, (n/2 - 1) je broj ciklusa, n/2×10 je energetski prinos od oksidacije acetil- CoA, a 2 je trošak aktivacije.
Obilježja reakcija
Oksidacija nezasićenih masnih kiselina ima neke osobitosti. Dakle, poteškoća oksidacije lanaca s dvostrukim vezama leži u činjenici da potonje ne mogu biti izložene enoil-CoA-hidratazi zbog činjenice da su u cis položaju. Taj problem eliminira enoil-CoA izomeraza, zbog koje veza poprima trans konfiguraciju. Kao rezultat, molekula postaje potpuno identična produktu prve faze beta-oksidacije i može biti podvrgnuta hidrataciji. Mjesta koja sadrže samo jednostruke veze oksidiraju na isti način kao i zasićene kiseline.
Ponekad enoil-CoA-izomeraza nije dovoljna za nastavak procesa. To se odnosi na lance u kojima je prisutna cis9-cis12 konfiguracija (dvostruke veze na 9. i 12. atomu ugljika). Ovdje nije prepreka samo konfiguracija, već i položaj dvostrukih veza u lancu. Potonje se korigira enzimom 2,4-dienoil-CoA reduktazom.
Katabolizam neparnih masnih kiselina
Ova vrsta kiseline tipična je za većinu lipida prirodnog (prirodnog) porijekla. To stvara određenu složenost, budući da svaki cikluspodrazumijeva skraćivanje za paran broj poveznica. Zbog toga se ciklička oksidacija viših masnih kiselina ove skupine nastavlja do pojave produkta 5-ugljičnog spoja koji se cijepa na acetil-CoA i propionil-koenzim A. Oba spoja ulaze u drugi ciklus od tri reakcije, uslijed čega nastaje sukcinil-CoA. On je taj koji ulazi u Krebsov ciklus.
Značajke oksidacije u peroksizomima
U peroksisomima se oksidacija masnih kiselina događa putem beta mehanizma koji je sličan, ali nije identičan mitohondrijskom. Također se sastoji od 4 faze, koje kulminiraju stvaranjem proizvoda u obliku acetil-CoA, ali ima nekoliko ključnih razlika. Dakle, vodik koji se odvoji u fazi dehidrogenacije ne obnavlja FAD, već prelazi u kisik uz stvaranje vodikovog peroksida. Potonji se odmah cijepa pod djelovanjem katalaze. Kao rezultat toga, energija koja se mogla upotrijebiti za sintezu ATP-a u respiratornom lancu raspršuje se kao toplina.
Druga važna razlika je u tome što su neki peroksizomski enzimi specifični za određene manje zastupljene masne kiseline i nisu prisutni u mitohondrijskom matriksu.
Obilježje peroksisoma jetrenih stanica je da ne postoji enzimski aparat Krebsovog ciklusa. Stoga, kao rezultat beta-oksidacije, nastaju proizvodi kratkog lanca koji se transportiraju u mitohondrije radi oksidacije.
