Hovedbetingelsen for livet til enhver organisme er kontinuerlig tilførsel av energi, som brukes på ulike cellulære prosesser. Samtidig kan en viss del av næringsforbindelsene ikke brukes umiddelbart, men kan omdannes til reserver. Rollen til et slikt reservoar utføres av fett (lipider), bestående av glyserol og fettsyrer. Sistnevnte brukes av cellen som brensel. I dette tilfellet oksideres fettsyrer til CO2 og H2O.
Fatty acid basics
Fettsyrer er karbonkjeder av ulik lengde (fra 4 til 36 atomer), som er kjemisk klassifisert som karboksylsyrer. Disse kjedene kan enten være forgrenede eller uforgrenede og inneholde forskjellig antall dobbeltbindinger. Hvis sistnevnte er helt fraværende, kalles fettsyrer mettede (typisk for mange lipider av animalsk opprinnelse), og ellers -umettet. I henhold til arrangementet av dobbeltbindinger deles fettsyrer inn i enumettede og flerumettede.
De fleste kjeder inneholder et jevnt antall karbonatomer, noe som skyldes det særegne ved syntesen deres. Det er imidlertid forbindelser med et oddetall lenker. Oksydasjonen av disse to typene forbindelser er litt forskjellig.
Generelle egenskaper
Prosessen med fettsyreoksidasjon er kompleks og flertrinnsvis. Det begynner med deres penetrasjon inn i cellen og ender i respirasjonskjeden. Samtidig gjentar de siste stadiene faktisk katabolismen av karbohydrater (Krebs-syklusen, transformasjonen av energien til transmembrangradienten til en makroergisk binding). Sluttproduktene av prosessen er ATP, CO2 og vann.
Oksidasjon av fettsyrer i en eukaryot celle utføres i mitokondrier (det mest karakteristiske lokaliseringsstedet), peroksisomer eller endoplasmatisk retikulum.
Varianter (typer) av oksidasjon
Det finnes tre typer fettsyreoksidasjon: α, β og ω. Oftest foregår denne prosessen ved hjelp av β-mekanismen og er lokalisert i mitokondrier. Omega-banen er et mindre alternativ til β-mekanismen og utføres i endoplasmatisk retikulum, mens alfa-mekanismen er karakteristisk for kun én type fettsyre (fytanisk).
Biokjemi av fettsyreoksidasjon i mitokondrier
For enkelhets skyld er prosessen med mitokondriell katabolisme konvensjonelt delt inn i 3 stadier:
- aktivering og transport til mitokondrier;
- oksidasjon;
- oksidasjon av det dannede acetyl-koenzym A gjennom Krebs-syklusen og den elektriske transportkjeden.
Aktivering er en forberedende prosess som omdanner fettsyrer til en form som er tilgjengelig for biokjemiske transformasjoner, siden disse molekylene i seg selv er inerte. I tillegg, uten aktivering, kan de ikke trenge inn i mitokondriemembranene. Dette stadiet finner sted ved den ytre membranen av mitokondriene.
Oksydasjon er faktisk et nøkkeltrinn i prosessen. Det inkluderer fire stadier, hvoretter fettsyren omdannes til Acetyl-CoA-molekyler. Det samme produktet dannes under utnyttelsen av karbohydrater, slik at de påfølgende trinnene ligner de siste trinnene i aerob glykolyse. Dannelsen av ATP skjer i elektrontransportkjeden, hvor energien til det elektrokjemiske potensialet brukes til å danne en makroergisk binding.
I prosessen med fettsyreoksidasjon dannes det i tillegg til Acetyl-CoA, også NADH- og FADH-molekyler2, som også kommer inn i respirasjonskjeden som elektrondonorer. Som et resultat er den totale energiproduksjonen av lipidkatabolisme ganske høy. Så, for eksempel, gir oksidasjonen av palmitinsyre ved hjelp av β-mekanismen 106 ATP-molekyler.
Aktivering og overføring til mitokondriematrisen
Fettsyrer i seg selv er inerte og kan ikke oksideres. Aktivering bringer dem til en form tilgjengelig for biokjemiske transformasjoner. I tillegg kan disse molekylene ikke komme inn i mitokondriene uendret.
Kjernen med aktivering eromdannelsen av en fettsyre til dens Acyl-CoA-tioester, som deretter gjennomgår oksidasjon. Denne prosessen utføres av spesielle enzymer - tiokinaser (Acyl-CoA-syntetaser) festet til den ytre membranen av mitokondrier. Reaksjonen fortsetter i 2 trinn, forbundet med energiforbruket til to ATP.
Tre komponenter kreves for aktivering:
- ATF;
- HS-CoA;
- Mg2+.
For det første reagerer fettsyren med ATP for å danne acyladenylat (et mellomprodukt). Det reagerer på sin side med HS-CoA, hvis tiolgruppe fortrenger AMP, og danner en tioeterbinding med karboksylgruppen. Som et resultat dannes stoffet acyl-CoA - et fettsyrederivat, som transporteres til mitokondriene.
Transport til mitokondrier
Dette trinnet kalles transesterifisering med karnitin. Overføringen av acyl-CoA til mitokondriematrisen utføres gjennom porene med deltagelse av karnitin og spesielle enzymer - karnitinacyltransferaser.
For transport over membraner erstattes CoA med karnitin for å danne acyl-karnitin. Dette stoffet transporteres inn i matrisen med acyl-karnitin/karnitin-transportør forenklet diffusjon.
Inne i mitokondriene skjer det en omvendt reaksjon, bestående av løsgjøring av retinal, som igjen kommer inn i membranene, og restaurering av acyl-CoA (i dette tilfellet brukes det "lokale" koenzym A, og ikke den som båndet ble dannet medpå aktiveringsstadiet).
Hovedreaksjoner av fettsyreoksidasjon ved hjelp av β-mekanisme
Den enkleste typen energiutnyttelse av fettsyrer er β-oksidasjon av kjeder som ikke har dobbeltbindinger, hvor antallet karbonenheter er jevnt. Substratet for denne prosessen, som nevnt ovenfor, er acylkoenzym A.
Prosessen med β-oksidasjon av fettsyrer består av 4 reaksjoner:
- Dehydrogenering er sp altning av hydrogen fra et β-karbonatom med dannelse av en dobbeltbinding mellom kjedeledd lokalisert i α- og β-posisjoner (første og andre atom). Som et resultat dannes enoyl-CoA. Reaksjonsenzymet er acyl-CoA dehydrogenase, som virker i kombinasjon med koenzymet FAD (sistnevnte reduseres til FADH2).
- Hydrering er tilsetning av et vannmolekyl til enoyl-CoA, noe som resulterer i dannelsen av L-β-hydroxyacyl-CoA. Utført av enoyl-CoA-hydratase.
- Dehydrogenering - oksidasjon av produktet fra forrige reaksjon med NAD-avhengig dehydrogenase med dannelse av β-ketoacyl-koenzym A. I dette tilfellet reduseres NAD til NADH.
- Sp altning av β-ketoacyl-CoA til acetyl-CoA og en 2-karbon forkortet acyl-CoA. Reaksjonen utføres under virkningen av tiolase. En forutsetning er tilstedeværelsen av gratis HS-CoA.
Så starter alt igjen med den første reaksjonen.
Den sykliske repetisjonen av alle stadier utføres inntil hele karbonkjeden i fettsyren er omdannet til molekyler av acetyl-koenzym A.
Danning av acetyl-CoA og ATP på eksemplet med palmitoyl-CoA-oksidasjon
På slutten av hver syklus dannes acyl-CoA-, NADH- og FADH2-molekyler i en enkelt mengde, og acyl-CoA-tioeterkjeden blir kortere med to atomer. Ved å overføre elektroner til elektrotransportkjeden gir FADH2 ett og et halvt ATP-molekyl, og NADH to. Som et resultat oppnås 4 ATP-molekyler fra én syklus, ikke medregnet energiutbyttet av acetyl-CoA.
Palmitinsyrekjeden har 16 karbonatomer. Dette betyr at på oksidasjonsstadiet bør det utføres 7 sykluser med dannelse av åtte acetyl-CoA, og energiutbyttet fra NADH og FADH2 vil i dette tilfellet være 28 ATP-molekyler (4×7). Oksydasjonen av acetyl-CoA går også til dannelse av energi, som lagres som et resultat av at produktene fra Krebs-syklusen går inn i den elektriske transportkjeden.
Tot alt utbytte av oksidasjonstrinn og Krebs-syklus
Som et resultat av oksidasjonen av acetyl-CoA, oppnås 10 ATP-molekyler. Siden katabolismen av palmitoyl-CoA gir 8 acetyl-CoA, vil energiutbyttet være 80 ATP (10×8). Legger du dette til resultatet av oksidasjonen av NADH og FADH2, får du 108 molekyler (80+28). Fra denne mengden skal 2 ATP trekkes fra, som gikk for å aktivere fettsyren.
Den endelige ligningen for oksidasjon av palmitinsyre vil være: palmitoyl-CoA + 16 O2 + 108 Pi + 80 ADP=CoA + 108 ATP + 16 CO2 + 16 H2O.
Beregning av energifrigjøring
Energieksospå katabolismen av en bestemt fettsyre avhenger av antall karbonenheter i kjeden. Antall ATP-molekyler beregnes ved hjelp av formelen:
[4(n/2 - 1) + n/2×10] - 2, hvor 4 er mengden ATP generert i løpet av hver syklus på grunn av NADH og FADH2, (n/2 - 1) er antall sykluser, n/2×10 er energiutbyttet fra oksidasjon av acetyl- CoA, og 2 er kostnaden for aktivering.
Funksjoner av reaksjoner
Oksidasjon av umettede fettsyrer har noen særegenheter. Dermed ligger vanskeligheten med å oksidere kjeder med dobbeltbindinger i det faktum at sistnevnte ikke kan utsettes for enoyl-CoA-hydratase på grunn av det faktum at de er i cis-posisjon. Dette problemet elimineres av enoyl-CoA-isomerase, på grunn av hvilken bindingen får en trans-konfigurasjon. Som et resultat blir molekylet helt identisk med produktet fra det første stadiet av beta-oksidasjon og kan gjennomgå hydrering. Nettsteder som bare inneholder enkeltbindinger oksiderer på samme måte som mettede syrer.
Noen ganger er ikke enoyl-CoA-isomerase nok til å fortsette prosessen. Dette gjelder kjeder der cis9-cis12-konfigurasjonen er tilstede (dobbeltbindinger ved 9. og 12. karbonatomer). Her er ikke bare konfigurasjonen en hindring, men også plasseringen av dobbeltbindingene i kjeden. Sistnevnte korrigeres av enzymet 2,4-dienoyl-CoA-reduktase.
Katabolisme av merkelige fettsyrer
Denne typen syre er typisk for de fleste lipider av naturlig (naturlig) opprinnelse. Dette skaper en viss kompleksitet, siden hver syklusinnebærer forkorting med et partall av lenker. Av denne grunn fortsetter den sykliske oksidasjonen av de høyere fettsyrene i denne gruppen inntil det vises en 5-karbonforbindelse som et produkt, som sp altes til acetyl-CoA og propionyl-koenzym A. Begge forbindelsene går inn i en annen syklus med tre reaksjoner, som et resultat av hvilket succinyl-CoA dannes. Det er han som går inn i Krebs-syklusen.
Funksjoner ved oksidasjon i peroksisomer
I peroksisomer skjer fettsyreoksidasjon via en betamekanisme som ligner, men ikke er identisk, med mitokondrie. Den består også av 4 stadier, som kulminerer i dannelsen av produktet i form av acetyl-CoA, men det har flere viktige forskjeller. Dermed gjenoppretter ikke hydrogenet FAD ved dehydrogeneringstrinnet, men går over til oksygen med dannelse av hydrogenperoksid. Sistnevnte gjennomgår umiddelbart sp altning under påvirkning av katalase. Som et resultat blir energi som kunne vært brukt til å syntetisere ATP i respirasjonskjeden forsvunnet som varme.
Den andre viktige forskjellen er at noen peroksisomenzymer er spesifikke for visse mindre rikelige fettsyrer og ikke er tilstede i mitokondriematrisen.
Funktionen til peroksisomer av leverceller er at det ikke er noe enzymatisk apparat i Krebs-syklusen. Som et resultat av beta-oksidasjon dannes det derfor kortkjedede produkter, som transporteres til mitokondriene for oksidasjon.
