Hlavnou podmienkou života každého organizmu je nepretržitý prísun energie, ktorá sa vynakladá na rôzne bunkové procesy. Zároveň sa určitá časť živín nedá použiť okamžite, ale môže sa premeniť na rezervy. Úlohu takejto nádrže plnia tuky (lipidy), pozostávajúce z glycerolu a mastných kyselín. Posledné uvedené sú využívané článkom ako palivo. V tomto prípade sa mastné kyseliny oxidujú na CO2 a H2O.
Základy mastných kyselín
Mastné kyseliny sú uhlíkové reťazce rôznej dĺžky (od 4 do 36 atómov), ktoré sú chemicky klasifikované ako karboxylové kyseliny. Tieto reťazce môžu byť rozvetvené alebo nerozvetvené a môžu obsahovať rôzny počet dvojitých väzieb. Ak tieto úplne chýbajú, mastné kyseliny sa nazývajú nasýtené (typické pre mnohé lipidy živočíšneho pôvodu) a inak -nenasýtené. Podľa usporiadania dvojitých väzieb sa mastné kyseliny delia na mononenasýtené a polynenasýtené.
Väčšina reťazcov obsahuje párny počet atómov uhlíka, čo je spôsobené zvláštnosťou ich syntézy. Existujú však spojenia s nepárnym počtom odkazov. Oxidácia týchto dvoch typov zlúčenín je mierne odlišná.
Všeobecné charakteristiky
Proces oxidácie mastných kyselín je zložitý a viacstupňový. Začína sa ich prienikom do bunky a končí v dýchacom reťazci. Zároveň sa v záverečných fázach vlastne opakuje katabolizmus sacharidov (Krebsov cyklus, premena energie transmembránového gradientu na makroergickú väzbu). Konečnými produktmi procesu sú ATP, CO2 a voda.
Oxidácia mastných kyselín v eukaryotickej bunke prebieha v mitochondriách (najcharakteristickejšie miesto lokalizácie), peroxizómoch alebo endoplazmatickom retikule.
Odrody (typy) oxidácie
Existujú tri typy oxidácie mastných kyselín: α, β a ω. Najčastejšie tento proces prebieha β-mechanizmom a je lokalizovaný v mitochondriách. Omega dráha je vedľajšou alternatívou k β-mechanizmu a prebieha v endoplazmatickom retikule, zatiaľ čo alfa mechanizmus je charakteristický len pre jeden typ mastnej kyseliny (fytánovú).
Biochémia oxidácie mastných kyselín v mitochondriách
Pre zjednodušenie je proces mitochondriálneho katabolizmu konvenčne rozdelený do 3 etáp:
- aktivácia a transport do mitochondrií;
- oxidácia;
- oxidácia vytvoreného acetyl-koenzýmu A prostredníctvom Krebsovho cyklu a elektrického transportného reťazca.
Aktivácia je prípravný proces, ktorý premieňa mastné kyseliny na formu dostupnú pre biochemické premeny, keďže tieto molekuly samotné sú inertné. Navyše bez aktivácie nemôžu preniknúť cez mitochondriálne membrány. Toto štádium prebieha na vonkajšej membráne mitochondrií.
Oxidácia je v skutočnosti kľúčovým krokom v tomto procese. Zahŕňa štyri stupne, po ktorých sa mastná kyselina premieňa na molekuly Acetyl-CoA. Rovnaký produkt vzniká pri využití sacharidov, takže následné kroky sú podobné posledným krokom aeróbnej glykolýzy. K tvorbe ATP dochádza v elektrónovom transportnom reťazci, kde sa energia elektrochemického potenciálu využíva na vytvorenie makroergickej väzby.
V procese oxidácie mastných kyselín vznikajú okrem Acetyl-CoA aj molekuly NADH a FADH2, ktoré tiež vstupujú do dýchacieho reťazca ako donory elektrónov. Výsledkom je, že celkový energetický výdaj lipidového katabolizmu je dosť vysoký. Takže napríklad oxidácia kyseliny palmitovej β-mechanizmom dáva 106 molekúl ATP.
Aktivácia a prenos do mitochondriálnej matrice
Samotné mastné kyseliny sú inertné a nedajú sa oxidovať. Aktivácia ich privedie do formy dostupnej pre biochemické transformácie. Navyše tieto molekuly nemôžu vstúpiť do mitochondrií nezmenené.
Podstatou aktivácie jekonverziu mastnej kyseliny na jej Acyl-CoA-tioester, ktorý následne podlieha oxidácii. Tento proces vykonávajú špeciálne enzýmy - tiokinázy (Acyl-CoA syntetázy) pripojené k vonkajšej membráne mitochondrií. Reakcia prebieha v 2 stupňoch spojených s výdajom energie dvoch ATP.
Na aktiváciu sú potrebné tri komponenty:
- ATF;
- HS-CoA;
- Mg2+.
Po prvé, mastná kyselina reaguje s ATP za vzniku acyladenylátu (medziprodukt). Ten zase reaguje s HS-CoA, ktorého tiolová skupina vytesňuje AMP a vytvára tioéterovú väzbu s karboxylovou skupinou. V dôsledku toho vzniká látka acyl-CoA - derivát mastnej kyseliny, ktorá je transportovaná do mitochondrií.
Doprava do mitochondrií
Tento krok sa nazýva transesterifikácia karnitínom. Prenos acyl-CoA do mitochondriálnej matrice sa uskutočňuje cez póry za účasti karnitínu a špeciálnych enzýmov - karnitín acyltransferáz.
Pri transporte cez membrány sa CoA nahrádza karnitínom za vzniku acylkarnitínu. Táto látka je transportovaná do matrice acyl-karnitínovým/karnitínovým transportérom uľahčenej difúziou.
Vnútri mitochondrií prebieha inverzná reakcia spočívajúca v odlúčení sietnice, ktorá sa opäť dostáva do membrán a obnove acyl-CoA (v tomto prípade sa využíva „lokálny“koenzým A, resp. nie ten, s ktorým sa vytvorilo putovo fáze aktivácie).
Hlavné reakcie oxidácie mastných kyselín β-mechanizmom
Najjednoduchším druhom energetického využitia mastných kyselín je β-oxidácia reťazcov, ktoré nemajú dvojité väzby, v ktorých je párny počet uhlíkových jednotiek. Substrátom pre tento proces, ako je uvedené vyššie, je acylkoenzým A.
Proces β-oxidácie mastných kyselín pozostáva zo 4 reakcií:
- Dehydrogenácia je odštiepenie vodíka z β-uhlíkového atómu za vzniku dvojitej väzby medzi reťazovými článkami umiestnenými v α a β-polohách (prvý a druhý atóm). V dôsledku toho sa vytvorí enoyl-CoA. Reakčným enzýmom je acyl-CoA dehydrogenáza, ktorá pôsobí v kombinácii s koenzýmom FAD (ten sa redukuje na FADH2).
- Hydrácia je pridanie molekuly vody k enoyl-CoA, čo vedie k tvorbe L-β-hydroxyacyl-CoA. Vykonáva sa enoyl-CoA-hydratázou.
- Dehydrogenácia - oxidácia produktu predchádzajúcej reakcie NAD-dependentnou dehydrogenázou za vzniku β-ketoacyl-koenzýmu A. V tomto prípade sa NAD redukuje na NADH.
- Štiepenie β-ketoacyl-CoA na acetyl-CoA a 2-uhlíkový skrátený acyl-CoA. Reakcia sa uskutočňuje pôsobením tiolázy. Predpokladom je prítomnosť bezplatného HS-CoA.
Potom všetko začne odznova prvou reakciou.
Cyklické opakovanie všetkých stupňov sa vykonáva, kým sa celý uhlíkový reťazec mastnej kyseliny nepremení na molekuly acetyl-koenzýmu A.
Tvorba acetyl-CoA a ATP na príklade oxidácie palmitoyl-CoA
Na konci každého cyklu sa tvoria molekuly acyl-CoA, NADH a FADH2 v jednom množstve a acyl-CoA-tioéterový reťazec sa skráti o dva atómy. Prenosom elektrónov do elektrotransportného reťazca dáva FADH2 jeden a pol molekuly ATP a NADH dve. Výsledkom je, že z jedného cyklu sa získajú 4 molekuly ATP, nepočítajúc energetický výťažok acetyl-CoA.
Reťazec kyseliny palmitovej má 16 atómov uhlíka. To znamená, že v štádiu oxidácie by sa malo uskutočniť 7 cyklov s tvorbou ôsmich acetyl-CoA a energetický výťažok z NADH a FADH2 v tomto prípade bude 28 molekúl ATP. (4×7). Oxidáciou acetyl-CoA tiež vzniká energia, ktorá sa ukladá v dôsledku toho, že produkty Krebsovho cyklu vstupujú do elektrického transportného reťazca.
Celkový výťažok oxidačných krokov a Krebsov cyklus
V dôsledku oxidácie acetyl-CoA sa získa 10 molekúl ATP. Pretože katabolizmus palmitoyl-CoA poskytuje 8 acetyl-CoA, energetický výťažok bude 80 ATP (10x8). Ak to pripočítate k výsledku oxidácie NADH a FADH2, dostanete 108 molekúl (80+28). Od tohto množstva by sa mali odpočítať 2 ATP, ktoré išli na aktiváciu mastnej kyseliny.
Konečná rovnica pre oxidáciu kyseliny palmitovej bude: palmitoyl-CoA + 16 O2 + 108 Pi + 80 ADP=CoA + 108 ATP + 16 CO2 + 16 H2O.
Výpočet uvoľnenej energie
Výfuk energieod katabolizmu konkrétnej mastnej kyseliny závisí od počtu uhlíkových jednotiek v jej reťazci. Počet molekúl ATP sa vypočíta podľa vzorca:
[4(n/2 - 1) + n/2×10] - 2, kde 4 je množstvo ATP generovaného počas každého cyklu v dôsledku NADH a FADH2, (n/2 - 1) je počet cyklov, n/2×10 je energetický výťažok z oxidácie acetyl- CoA a 2 sú náklady na aktiváciu.
Vlastnosti reakcií
Oxidácia nenasýtených mastných kyselín má určité zvláštnosti. Obtiažnosť oxidačných reťazcov s dvojitými väzbami teda spočíva v tom, že tieto nemôžu byť vystavené enoyl-CoA-hydratáze v dôsledku skutočnosti, že sú v cis polohe. Tento problém odstraňuje enoyl-CoA izomeráza, vďaka ktorej väzba získava trans konfiguráciu. Vďaka tomu sa molekula stáva úplne identickou s produktom prvého stupňa beta-oxidácie a môže podstúpiť hydratáciu. Miesta obsahujúce iba jednoduché väzby oxidujú rovnakým spôsobom ako nasýtené kyseliny.
Enoyl-CoA-izomeráza niekedy nestačí na pokračovanie procesu. Platí to pre reťazce, v ktorých je prítomná konfigurácia cis9-cis12 (dvojité väzby na 9. a 12. atóme uhlíka). Tu nie je prekážkou len konfigurácia, ale aj poloha dvojitých väzieb v reťazci. Ten je korigovaný enzýmom 2,4-dienoyl-CoA reduktázou.
Katabolizmus nepárnych mastných kyselín
Tento typ kyseliny je typický pre väčšinu lipidov prírodného (prírodného) pôvodu. To vytvára určitú zložitosť, pretože každý cyklusznamená skrátenie o párny počet odkazov. Z tohto dôvodu pokračuje cyklická oxidácia vyšších mastných kyselín tejto skupiny, až kým sa neobjaví 5-uhlíková zlúčenina ako produkt, ktorý sa štiepi na acetyl-CoA a propionyl-koenzým A. Obe zlúčeniny vstupujú do ďalšieho cyklu troch reakcií, v dôsledku čoho vzniká sukcinyl-CoA. Je to on, kto vstupuje do Krebsovho cyklu.
Vlastnosti oxidácie v peroxizómoch
V peroxizómoch prebieha oxidácia mastných kyselín prostredníctvom beta mechanizmu, ktorý je podobný, ale nie identický, ako mitochondriálny. Pozostáva tiež zo 4 etáp, ktorých vrcholom je tvorba produktu vo forme acetyl-CoA, no má niekoľko kľúčových rozdielov. Odštiepený vodík v štádiu dehydrogenácie teda neobnovuje FAD, ale prechádza na kyslík za vzniku peroxidu vodíka. Ten okamžite podlieha štiepeniu pôsobením katalázy. Výsledkom je, že energia, ktorá sa mohla použiť na syntézu ATP v dýchacom reťazci, sa rozptýli ako teplo.
Druhým dôležitým rozdielom je, že niektoré peroxizómové enzýmy sú špecifické pre určité menej zastúpené mastné kyseliny a nie sú prítomné v mitochondriálnej matrici.
Vlastnosťou peroxizómov pečeňových buniek je, že neexistuje žiadny enzymatický aparát Krebsovho cyklu. Preto v dôsledku beta-oxidácie vznikajú produkty s krátkym reťazcom, ktoré sú transportované do mitochondrií na oxidáciu.
