Glavni pogoj za življenje vsakega organizma je neprekinjena oskrba z energijo, ki se porabi za različne celične procese. Hkrati določenega dela hranilnih spojin ni mogoče uporabiti takoj, ampak se lahko pretvori v rezerve. Vlogo takšnega rezervoarja opravljajo maščobe (lipidi), sestavljene iz glicerola in maščobnih kislin. Slednje celica uporablja kot gorivo. V tem primeru se maščobne kisline oksidirajo v CO2 in H2O.
Osnove maščobnih kislin
Maščobne kisline so ogljikove verige različnih dolžin (od 4 do 36 atomov), ki so kemično razvrščene kot karboksilne kisline. Te verige so lahko razvejene ali nerazvejene in vsebujejo različno število dvojnih vezi. Če so slednje popolnoma odsotne, se maščobne kisline imenujejo nasičene (značilne za številne lipide živalskega izvora), drugače pa -nenasičen. Glede na razporeditev dvojnih vezi se maščobne kisline delijo na enkrat nenasičene in večkrat nenasičene.
Večina verig vsebuje sodo število ogljikovih atomov, kar je posledica posebnosti njihove sinteze. Vendar pa obstajajo povezave z lihim številom povezav. Oksidacija teh dveh vrst spojin je nekoliko drugačna.
Splošne značilnosti
Proces oksidacije maščobnih kislin je zapleten in večstopenjski. Začne se z njihovim prodiranjem v celico in konča v dihalni verigi. Hkrati se v končnih fazah dejansko ponovi katabolizem ogljikovih hidratov (Krebsov cikel, preobrazba energije transmembranskega gradienta v makroergično vez). Končni produkti procesa so ATP, CO2 in voda.
Oksidacija maščobnih kislin v evkariontski celici poteka v mitohondrijih (najbolj značilno mesto lokalizacije), peroksisomih ali endoplazmatskem retikulumu.
Vrste (vrste) oksidacije
Obstajajo tri vrste oksidacije maščobnih kislin: α, β in ω. Najpogosteje ta proces poteka po β-mehanizmu in je lokaliziran v mitohondrijih. Omega pot je manjša alternativa β-mehanizmu in se izvaja v endoplazmatskem retikulumu, medtem ko je alfa mehanizem značilen samo za eno vrsto maščobne kisline (fitansko).
Biokemija oksidacije maščobnih kislin v mitohondrijih
Za udobje je proces mitohondrijskega katabolizma običajno razdeljen na 3 stopnje:
- aktivacija in transport v mitohondrije;
- oksidacija;
- oksidacija nastalega acetil-koencima A skozi Krebsov cikel in električno transportno verigo.
Aktivacija je pripravljalni proces, ki pretvori maščobne kisline v obliko, ki je na voljo za biokemične transformacije, saj so te molekule same inertne. Poleg tega brez aktivacije ne morejo prodreti v mitohondrijske membrane. Ta faza poteka na zunanji membrani mitohondrijev.
Pravzaprav je oksidacija ključni korak v procesu. Vključuje štiri stopnje, po katerih se maščobna kislina pretvori v molekule acetil-CoA. Isti produkt nastane pri izrabi ogljikovih hidratov, tako da so naslednji koraki podobni zadnjim korakom aerobne glikolize. Tvorba ATP se pojavi v verigi transporta elektronov, kjer se energija elektrokemičnega potenciala uporablja za tvorbo makroergične vezi.
V procesu oksidacije maščobnih kislin poleg acetil-CoA nastajajo tudi molekule NADH in FADH2, ki vstopajo tudi v dihalno verigo kot darovalci elektronov. Posledično je skupna proizvodnja energije pri katabolizmu lipidov precej visoka. Tako na primer oksidacija palmitinske kisline z β-mehanizmom daje 106 molekul ATP.
Aktivacija in prenos v mitohondrijski matriks
Maščobne kisline so same po sebi inertne in jih ni mogoče oksidirati. Aktivacija jih pripelje v obliko, ki je na voljo za biokemične transformacije. Poleg tega te molekule ne morejo vstopiti v mitohondrije nespremenjene.
Bistvo aktivacije jepretvorba maščobne kisline v njen acil-CoA-tioester, ki je nato podvržen oksidaciji. Ta proces izvajajo posebni encimi - tiokinaze (Acyl-CoA sintetaze), pritrjeni na zunanjo membrano mitohondrijev. Reakcija poteka v 2 stopnjah, povezanih s porabo energije dveh ATP.
Za aktivacijo so potrebne tri komponente:
- ATF;
- HS-CoA;
- Mg2+.
Najprej, maščobna kislina reagira z ATP in tvori aciladenilat (intermediat). Ta pa reagira s HS-CoA, katerega tiolna skupina izpodrine AMP in tvori tioetrsko vez s karboksilno skupino. Posledično nastane snov acil-CoA – derivat maščobne kisline, ki se transportira v mitohondrije.
Prevoz v mitohondrije
Ta korak se imenuje transesterifikacija s karnitinom. Prenos acil-CoA v mitohondrijski matriks se izvaja skozi pore s sodelovanjem karnitina in posebnih encimov - karnitin aciltransferaz.
Za transport skozi membrane CoA nadomesti karnitin, da nastane acil-karnitin. Ta snov se prenaša v matriks s pomočjo acil-karnitina/karnitina, ki olajša difuzijo.
Znotraj mitohondrijev poteka inverzna reakcija, ki je sestavljena iz odvajanja mrežnice, ki ponovno vstopi v membrane, in obnove acil-CoA (v tem primeru se uporablja "lokalni" koencim A in ne tisti, s katerim je nastala vezv fazi aktivacije).
Glavne reakcije oksidacije maščobnih kislin z β-mehanizmom
Najenostavnejša vrsta energetske izrabe maščobnih kislin je β-oksidacija verig, ki nimajo dvojnih vezi, pri kateri je število ogljikovih enot sodo. Substrat za ta proces, kot je navedeno zgoraj, je acil koencim A.
Proces β-oksidacije maščobnih kislin je sestavljen iz 4 reakcij:
- Dehidrogenacija je odcepitev vodika od β-ogljikovega atoma s tvorbo dvojne vezi med verižnimi členi, ki se nahajajo v α in β-položajih (prvi in drugi atom). Posledično nastane enoil-CoA. Reakcijski encim je acil-CoA dehidrogenaza, ki deluje v kombinaciji s koencimom FAD (slednji se reducira na FADH2).
- Hidracija je dodajanje molekule vode enoil-CoA, kar povzroči nastanek L-β-hidroksiacil-CoA. Izvaja enoil-CoA-hidrataza.
- Dehidrogenacija - oksidacija produkta prejšnje reakcije z NAD-odvisno dehidrogenazo s tvorbo β-ketoacil-koencima A. V tem primeru se NAD reducira v NADH.
- Razcepitev β-ketoacil-CoA v acetil-CoA in 2-ogljično skrajšano acil-CoA. Reakcija poteka pod delovanjem tiolaze. Predpogoj je prisotnost prostega HS-CoA.
Potem se vse začne znova s prvo reakcijo.
Ciklično ponavljanje vseh stopenj se izvaja, dokler se celotna ogljikova veriga maščobne kisline ne pretvori v molekule acetil-koencima A.
Tvorba acetil-CoA in ATP na primeru oksidacije palmitoil-CoA
Na koncu vsakega cikla se molekule acil-CoA, NADH in FADH2 tvorijo v eni sami količini, veriga acil-CoA-tioetra pa se skrajša za dva atoma. S prenosom elektronov v elektrotransportno verigo FADH2 da eno in pol molekulo ATP, NADH pa dve. Posledično se iz enega cikla pridobijo 4 molekule ATP, ne da bi se upošteval energetski donos acetil-CoA.
Veriga palmitinske kisline ima 16 atomov ogljika. To pomeni, da je treba v fazi oksidacije izvesti 7 ciklov s tvorbo osmih acetil-CoA, energijski donos iz NADH in FADH2 pa bo v tem primeru 28 molekul ATP (4×7). Oksidacija acetil-CoA gre tudi v tvorbo energije, ki se shrani kot posledica vstopa produktov Krebsovega cikla v električno transportno verigo.
Skupni izkoristek stopenj oksidacije in Krebsovega cikla
Kot rezultat oksidacije acetil-CoA dobimo 10 molekul ATP. Ker katabolizem palmitoil-CoA povzroči 8 acetil-CoA, bo energijski donos 80 ATP (10×8). Če to dodate rezultatu oksidacije NADH in FADH2, dobite 108 molekul (80+28). Od te količine je treba odšteti 2 ATP, ki sta šla za aktiviranje maščobne kisline.
Končna enačba za oksidacijo palmitinske kisline bo: palmitoil-CoA + 16 O2 + 108 Pi + 80 ADP=CoA + 108 ATP + 16 CO2 + 16 H2O.
Izračun sproščanja energije
Energijski izpuhkatabolizem določene maščobne kisline je odvisen od števila ogljikovih enot v njeni verigi. Število molekul ATP se izračuna po formuli:
[4(n/2 - 1) + n/2×10] - 2, kjer je 4 količina ATP, ki nastane med vsakim ciklom zaradi NADH in FADH2, (n/2 - 1) je število ciklov, n/2×10 je energijski dobitek pri oksidaciji acetil- CoA, 2 pa je strošek aktivacije.
Značilnosti reakcij
Oksidacija nenasičenih maščobnih kislin ima nekaj posebnosti. Tako je težava oksidacije verig z dvojnimi vezmi v tem, da slednje zaradi dejstva, da so v cis položaju, ne morejo biti izpostavljene enoil-CoA-hidratazi. To težavo odpravi enoil-CoA izomeraza, zaradi katere vez pridobi trans konfiguracijo. Posledično postane molekula popolnoma identična produktu prve stopnje beta-oksidacije in se lahko hidrira. Mesta, ki vsebujejo samo enojne vezi, oksidirajo na enak način kot nasičene kisline.
Včasih enoil-CoA-izomeraza ni dovolj za nadaljevanje postopka. To velja za verige, v katerih je prisotna konfiguracija cis9-cis12 (dvojne vezi pri 9. in 12. atomu ogljika). Tu ni ovira le konfiguracija, ampak tudi položaj dvojnih vezi v verigi. Slednje popravlja encim 2,4-dienoil-CoA reduktaza.
Katabolizem čudnih maščobnih kislin
Ta vrsta kisline je značilna za večino lipidov naravnega (naravnega) izvora. To ustvarja določeno zapletenost, saj vsak cikelpomeni skrajšanje za sodo število povezav. Zaradi tega se ciklična oksidacija višjih maščobnih kislin te skupine nadaljuje do pojava 5-ogljikove spojine kot produkta, ki se razcepi na acetil-CoA in propionil-koencim A. Obe spojini vstopita v drugi cikel treh reakcij., zaradi česar nastane sukcinil-CoA. On je tisti, ki vstopi v Krebsov cikel.
Lastnosti oksidacije v peroksisomih
V peroksisomih poteka oksidacija maščobnih kislin preko beta mehanizma, ki je podoben, vendar ne identičen, mitohondrijski. Sestavljen je tudi iz 4 stopenj, ki dosežejo vrhunec s tvorbo produkta v obliki acetil-CoA, vendar ima več ključnih razlik. Tako odcepljeni vodik na stopnji dehidrogenacije ne obnovi FAD, ampak preide na kisik s tvorbo vodikovega peroksida. Slednji se takoj razcepi pod delovanjem katalaze. Posledično se energija, ki bi jo lahko uporabili za sintezo ATP v dihalni verigi, razprši kot toploto.
Druga pomembna razlika je, da so nekateri peroksisomski encimi specifični za nekatere manj bogate maščobne kisline in niso prisotni v mitohondrijskem matriksu.
Značilnost peroksisomov jetrnih celic je, da ni encimskega aparata Krebsovega cikla. Zato kot posledica beta-oksidacije nastanejo kratkoverižni produkti, ki se prevažajo v mitohondrije za oksidacijo.
