Glavni uslov za život svakog organizma je kontinuirano snabdevanje energijom, koja se troši na različite ćelijske procese. Istovremeno, određeni dio nutrijenata ne može se 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 do CO2 i H2O.
Osnove masnih kiselina
Masne kiseline su ugljenični lanci različitih dužina (od 4 do 36 atoma), koji su hemijski klasifikovani kao karboksilne kiseline. Ovi lanci mogu biti ili razgranati ili nerazgranati i sadržavati različit broj dvostrukih veza. Ako su potonje potpuno odsutne, masne kiseline se nazivaju zasićene (tipične za mnoge lipide životinjskog porijekla), a inače -nezasićeni. Prema rasporedu dvostrukih veza, masne kiseline se dijele na mononezasićene i polinezasićene.
Većina lanaca sadrži paran broj atoma ugljika, što je zbog osobenosti njihove sinteze. Međutim, postoje veze sa neparnim brojem veza. Oksidacija ove dvije vrste jedinjenja je malo drugačija.
Opšte karakteristike
Proces oksidacije masnih kiselina je složen i višestepeni. Počinje njihovim prodorom u ćeliju i završava u respiratornom lancu. Istovremeno, 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 ćeliji vrši se u mitohondrijima (najkarakterističnije mjesto lokalizacije), peroksizomima ili endoplazmatskom retikulumu.
Vorte (vrste) oksidacije
Postoje tri tipa 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 odvija se u endoplazmatskom retikulumu, dok je alfa mehanizam karakterističan samo za jednu vrstu masne kiseline (fitanske).
Biohemija oksidacije masnih kiselina u mitohondrijama
Radi praktičnosti, proces mitohondrijskog katabolizma je konvencionalno 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 biohemijske transformacije, budući da su ovi molekuli sami po sebi inertni. Osim toga, bez aktivacije ne mogu prodrijeti u mitohondrijalne membrane. Ova faza se odvija na vanjskoj membrani mitohondrija.
Zapravo, oksidacija je ključni korak u procesu. Uključuje četiri faze, nakon kojih se masna kiselina pretvara u molekule acetil-CoA. Isti proizvod nastaje prilikom iskorištavanja ugljikohidrata, tako da su naredni koraci slični posljednjim koracima aerobne glikolize. Formiranje ATP-a događa se u lancu transporta elektrona, gdje se energija elektrohemijskog potencijala koristi za formiranje makroergijske veze.
U procesu oksidacije masnih kiselina, osim acetil-CoA, formiraju se i molekuli NADH i FADH2, koji takođe ulaze u respiratorni 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 koji je dostupan za biohemijske transformacije. Osim toga, ovi molekuli ne mogu ući u mitohondrije nepromijenjeni.
Suština aktivacije jepretvaranje masne kiseline u njen Acyl-CoA-tioester, koji nakon toga prolazi kroz oksidaciju. Ovaj proces provode posebni enzimi - tiokinaze (Acyl-CoA sintetaze) pričvršćene za vanjsku membranu mitohondrija. Reakcija se odvija u 2 faze, povezane sa utroškom energije dva ATP-a.
Za aktivaciju su potrebne tri komponente:
- ATF;
- HS-CoA;
- Mg2+.
Prvo, masna kiselina reaguje sa ATP-om i formira aciladenilat (intermedijer). To, zauzvrat, reaguje sa HS-CoA, čija tiolna grupa istiskuje AMP, formirajući tioetersku vezu sa karboksilnom grupom. Kao rezultat, formira se supstanca acil-CoA - derivat masne kiseline, koji se transportuje do mitohondrija.
Transport do mitohondrija
Ovaj korak se zove transesterifikacija karnitinom. Prenos acil-CoA u mitohondrijsku matricu vrši se kroz pore uz učešće karnitina i posebnih enzima - karnitin aciltransferaza.
Za transport kroz membrane, CoA se zamjenjuje karnitinom kako bi se formirao acil-karnitin. Ova supstanca se transportuje u matriks acil-karnitin/karnitin transporterom olakšanom difuzijom.
Unutar mitohondrija odvija se inverzna reakcija, koja se sastoji u odvajanju retine, koja ponovo ulazi u membrane, i obnavljanju acil-CoA (u ovom slučaju se koristi "lokalni" koenzim A, i ne onaj sa kojim je nastala vezau fazi aktivacije).
Glavne reakcije oksidacije masnih kiselina β-mehanizmom
Najjednostavniji tip energetskog iskorištavanja 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 vodonika od β-ugljičnog atoma uz stvaranje dvostruke veze između karika lanca smještenih u α i β-položajima (prvi i drugi atom). Kao rezultat, nastaje enoil-CoA. Reakcioni enzim je acil-CoA dehidrogenaza, koja djeluje u kombinaciji sa koenzimom FAD (potonji se reducira na FADH2).
- Hidracija je dodavanje molekula vode enoil-CoA, što rezultira stvaranjem L-β-hidroksiacil-CoA. Izvodi enoil-CoA-hidrataza.
- Dehidrogenacija - oksidacija proizvoda prethodne reakcije pomoću NAD-zavisne dehidrogenaze sa stvaranjem β-ketoacil-koenzima A. U ovom slučaju, NAD se reducira u NADH.
- Cijepanje β-ketoacil-CoA do acetil-CoA i 2-ugljika skraćenog acil-CoA. Reakcija se odvija pod dejstvom tiolaze. Preduslov je prisustvo besplatnog HS-CoA.
Onda sve počinje iznova s prvom reakcijom.
Ciklično ponavljanje svih faza se izvodi sve dok se cijeli ugljični lanac masne kiseline ne pretvori u molekule acetil-koenzima A.
Formiranje acetil-CoA i ATP-a na primjeru oksidacije palmitoil-CoA
Na kraju svakog ciklusa, acil-CoA, NADH i FADH2 molekuli se formiraju u jednoj količini, a acil-CoA-tioeterski lanac postaje kraći za dva atoma. Prenosom elektrona u elektrotransportni lanac, FADH2 daje jedan i po ATP molekula, a NADH dva. Kao rezultat, 4 ATP molekula se dobijaju iz jednog ciklusa, ne računajući energetski prinos acetil-CoA.
Lanac palmitinske kiseline ima 16 atoma ugljika. To znači da u fazi oksidacije treba izvršiti 7 ciklusa sa formiranjem osam acetil-CoA, a energetski prinos iz 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, dobija se 10 ATP molekula. Pošto katabolizam palmitoil-CoA daje 8 acetil-CoA, energetski prinos će biti 80 ATP (10×8). Ako ovo dodate rezultatu oksidacije NADH i FADH2, dobićete 108 molekula (80+28). Od ove količine treba oduzeti 2 ATP, koji su otišli da aktiviraju masnu kiselinu.
Konačna jednačina za oksidaciju palmitinske kiseline će biti: palmitoil-CoA + 16 O2 + 108 Pi + 80 ADP=CoA + 108 ATP + 16 CO2 + 16 H2O.
Proračun oslobađanja energije
Energijski izduvni gaskatabolizam određene masne kiseline ovisi o broju ugljikovih jedinica u njenom lancu. Broj ATP molekula izračunava se po formuli:
[4(n/2 - 1) + n/2×10] - 2, gde je 4 količina ATP-a generisana tokom 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 posebnosti. Dakle, poteškoća oksidacije lanaca sa dvostrukim vezama leži u činjenici da potonji ne mogu biti izloženi enoil-CoA-hidratazi zbog činjenice da su u cis položaju. Ovaj problem eliminiše enoil-CoA izomeraza, zbog čega veza poprima trans konfiguraciju. Kao rezultat, molekul postaje potpuno identičan produktu prve faze beta-oksidacije i može biti podvrgnut hidrataciji. Lokacije koje sadrže samo jednostruke veze oksidiraju na isti način kao i zasićene kiseline.
Ponekad enoil-CoA-izomeraza nije dovoljna za nastavak procesa. Ovo 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. Ovo posljednje koriguje enzim 2,4-dienoil-CoA reduktaza.
Katabolizam neparnih masnih kiselina
Ova vrsta kiseline je tipična za većinu lipida prirodnog (prirodnog) porijekla. To stvara određenu složenost, budući da svaki cikluspodrazumijeva skraćivanje za paran broj veza. Iz tog razloga, ciklična oksidacija viših masnih kiselina ove grupe nastavlja se do pojave jedinjenja sa 5 ugljika kao produkta, koji se cijepa na acetil-CoA i propionil-koenzim A. Oba spoja ulaze u drugi ciklus od tri reakcije., kao rezultat toga nastaje sukcinil-CoA. On je taj koji ulazi u Krebsov ciklus.
Obilježja oksidacije u peroksizomima
U peroksizomima, oksidacija masnih kiselina se odvija preko beta mehanizma koji je sličan, ali nije identičan, mitohondrijskom. Takođe se sastoji od 4 faze, koje kulminiraju formiranjem proizvoda u obliku acetil-CoA, ali ima nekoliko ključnih razlika. Dakle, vodonik koji se odvoji u fazi dehidrogenacije ne obnavlja FAD, već prelazi u kisik sa stvaranjem vodikovog peroksida. Potonji se odmah cijepa pod djelovanjem katalaze. Kao rezultat toga, energija koja je mogla biti upotrijebljena za sintezu ATP-a u respiratornom lancu se rasipa 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.
Odlika peroksizoma ćelija jetre je da ne postoji enzimski aparat Krebsovog ciklusa. Stoga, kao rezultat beta-oksidacije, nastaju proizvodi kratkog lanca, koji se transportuju u mitohondrije radi oksidacije.
