Hovedbetingelsen for enhver organismes liv er den kontinuerlige tilførsel af energi, som bruges på forskellige cellulære processer. Samtidig kan en vis del af næringsstofferne ikke umiddelbart bruges, men kan omdannes til reserver. Rollen af et sådant reservoir udføres af fedtstoffer (lipider), der består af glycerol og fedtsyrer. Sidstnævnte bruges af cellen som brændstof. I dette tilfælde oxideres fedtsyrer til CO2 og H2O.
Fedtsyregrundlag
Fedtsyrer er kulstofkæder af forskellig længde (fra 4 til 36 atomer), som er kemisk klassificeret som carboxylsyrer. Disse kæder kan enten være forgrenede eller uforgrenede og indeholde forskellige antal dobbeltbindinger. Hvis sidstnævnte er fuldstændig fraværende, kaldes fedtsyrer mættede (typisk for mange lipider af animalsk oprindelse), og ellers -umættet. Ifølge arrangementet af dobbeltbindinger opdeles fedtsyrer i monoumættede og flerumættede.
De fleste kæder indeholder et lige antal carbonatomer, hvilket skyldes det særlige ved deres syntese. Der er dog forbindelser med et ulige antal links. Oxidationen af disse to typer forbindelser er lidt forskellig.
Generelle karakteristika
Fedtsyreoxidationsprocessen er kompleks og flere trin. Det begynder med deres indtrængning i cellen og ender i åndedrætskæden. Samtidig gentager de sidste stadier faktisk nedbrydningen af kulhydrater (Krebs-cyklussen, transformationen af transmembrangradientens energi til en makroergisk binding). De endelige produkter af processen er ATP, CO2 og vand.
Oxidation af fedtsyrer i en eukaryot celle udføres i mitokondrier (det mest karakteristiske lokaliseringssted), peroxisomer eller endoplasmatisk retikulum.
Variteter (typer) af oxidation
Der er tre typer fedtsyreoxidation: α, β og ω. Oftest forløber denne proces af β-mekanismen og er lokaliseret i mitokondrier. Omega-vejen er et mindre alternativ til β-mekanismen og udføres i det endoplasmatiske reticulum, mens alfa-mekanismen kun er karakteristisk for én type fedtsyre (fytanisk).
Biokemi af fedtsyreoxidation i mitokondrier
For nemheds skyld er processen med mitokondriel katabolisme konventionelt opdelt i 3 trin:
- aktivering og transport til mitokondrier;
- oxidation;
- oxidation af det dannede acetyl-coenzym A gennem Krebs-cyklussen og den elektriske transportkæde.
Aktivering er en forberedende proces, der omdanner fedtsyrer til en form, der er tilgængelig for biokemiske transformationer, da disse molekyler i sig selv er inerte. Uden aktivering kan de desuden ikke trænge ind i mitokondriemembranerne. Dette stadie finder sted ved den ydre membran af mitokondrierne.
Oxidation er faktisk et nøgletrin i processen. Det omfatter fire trin, hvorefter fedtsyren omdannes til Acetyl-CoA-molekyler. Det samme produkt dannes under udnyttelsen af kulhydrater, således at de efterfølgende trin ligner de sidste trin i aerob glykolyse. Dannelsen af ATP sker i elektrontransportkæden, hvor energien fra det elektrokemiske potentiale bruges til at danne en makroergisk binding.
I processen med fedtsyreoxidation dannes der udover Acetyl-CoA, også NADH- og FADH-molekyler2, som også kommer ind i luftvejskæden som elektrondonorer. Som et resultat er den samlede energiproduktion af lipidkatabolisme ret høj. Så f.eks. giver oxidationen af palmitinsyre ved β-mekanismen 106 ATP-molekyler.
Aktivering og overførsel til mitokondriematrix
Fedtsyrer i sig selv er inerte og kan ikke oxideres. Aktivering bringer dem i en form, der er tilgængelig for biokemiske transformationer. Derudover kan disse molekyler ikke trænge uændret ind i mitokondrierne.
essensen af aktivering eromdannelsen af en fedtsyre til dens Acyl-CoA-thioester, som efterfølgende undergår oxidation. Denne proces udføres af specielle enzymer - thiokinaser (Acyl-CoA-syntetaser) knyttet til den ydre membran af mitokondrier. Reaktionen forløber i 2 trin, forbundet med energiforbruget af to ATP.
Tre komponenter er nødvendige for aktivering:
- ATF;
- HS-CoA;
- Mg2+.
For det første reagerer fedtsyren med ATP og danner acyladenylat (et mellemprodukt). Det reagerer igen med HS-CoA, hvis thiolgruppe fortrænger AMP og danner en thioetherbinding med carboxylgruppen. Som følge heraf dannes stoffet acyl-CoA - et fedtsyrederivat, som transporteres til mitokondrierne.
Transport til mitokondrier
Dette trin kaldes transesterificering med carnitin. Overførslen af acyl-CoA til mitokondriematrixen udføres gennem porerne med deltagelse af carnitin og specielle enzymer - carnitin acyltransferaser.
Til transport over membraner erstattes CoA med carnitin for at danne acyl-carnitin. Dette stof transporteres ind i matrixen af acyl-carnitin/carnitin-transportør-faciliteret diffusion.
Inde i mitokondrierne finder en omvendt reaktion sted, bestående i løsrivelse af nethinden, som igen kommer ind i membranerne, og genoprettelse af acyl-CoA (i dette tilfælde bruges det "lokale" coenzym A, og ikke den, som båndet blev dannet medpå aktiveringsstadiet).
Hovedreaktioner af fedtsyreoxidation ved hjælp af β-mekanisme
Den enkleste form for energiudnyttelse af fedtsyrer er β-oxidation af kæder, der ikke har dobbeltbindinger, hvor antallet af kulstofenheder er lige. Substratet for denne proces, som nævnt ovenfor, er acylcoenzym A.
Processen med β-oxidation af fedtsyrer består af 4 reaktioner:
- Dehydrogenering er afsp altning af hydrogen fra et β-carbonatom med dannelse af en dobbeltbinding mellem kædeled placeret i α- og β-positioner (første og andet atom). Som et resultat dannes enoyl-CoA. Reaktionsenzymet er acyl-CoA dehydrogenase, som virker i kombination med coenzymet FAD (sidstnævnte reduceres til FADH2).
- Hydrering er tilføjelsen af et vandmolekyle til enoyl-CoA, hvilket resulterer i dannelsen af L-β-hydroxyacyl-CoA. Udføres af enoyl-CoA-hydratase.
- Dehydrogenering - oxidation af produktet fra den foregående reaktion med NAD-afhængig dehydrogenase med dannelse af β-ketoacyl-coenzym A. I dette tilfælde reduceres NAD til NADH.
- Sp altning af β-ketoacyl-CoA til acetyl-CoA og en 2-carbon forkortet acyl-CoA. Reaktionen udføres under indvirkning af thiolase. En forudsætning er tilstedeværelsen af gratis HS-CoA.
Så starter alt igen med den første reaktion.
Den cykliske gentagelse af alle stadier udføres, indtil hele kulstofkæden i fedtsyren er omdannet til molekyler af acetyl-coenzym A.
Danning af acetyl-CoA og ATP på eksemplet med palmitoyl-CoA-oxidation
I slutningen af hver cyklus dannes acyl-CoA-, NADH- og FADH2-molekyler i en enkelt mængde, og acyl-CoA-thioetherkæden bliver kortere med to atomer. Ved at overføre elektroner til elektrotransportkæden giver FADH2 halvandet ATP-molekyle og NADH to. Som et resultat opnås 4 ATP-molekyler fra én cyklus, uden at medregne energiudbyttet af acetyl-CoA.
Palmitinsyrekæden har 16 carbonatomer. Dette betyder, at der på oxidationsstadiet skal udføres 7 cyklusser med dannelse af otte acetyl-CoA, og energiudbyttet fra NADH og FADH2 vil i dette tilfælde være 28 ATP-molekyler (4×7). Oxidationen af acetyl-CoA går også til dannelsen af energi, som lagres som et resultat af, at produkterne fra Krebs-cyklussen kommer ind i den elektriske transportkæde.
Tot alt udbytte af oxidationstrin og Krebs-cyklus
Som et resultat af oxidationen af acetyl-CoA opnås 10 ATP-molekyler. Da katabolismen af palmitoyl-CoA giver 8 acetyl-CoA, vil energiudbyttet være 80 ATP (10×8). Tilføjer man dette til resultatet af oxidationen af NADH og FADH2, får man 108 molekyler (80+28). Fra denne mængde skulle 2 ATP trækkes fra, som gik til at aktivere fedtsyren.
Den endelige ligning for oxidationen af palmitinsyre vil være: palmitoyl-CoA + 16 O2 + 108 Pi + 80 ADP=CoA + 108 ATP + 16 CO2 + 16 H2O.
Beregning af energifrigivelse
Energiudstødningom katabolismen af en bestemt fedtsyre afhænger af antallet af kulstofenheder i dens kæde. Antallet af ATP-molekyler beregnes ved formlen:
[4(n/2 - 1) + n/2×10] - 2, hvor 4 er mængden af ATP genereret under hver cyklus på grund af NADH og FADH2, (n/2 - 1) er antallet af cyklusser, n/2×10 er energiudbyttet fra oxidationen af acetyl- CoA, og 2 er omkostningerne ved aktivering.
Funktioner af reaktioner
Oxidation af umættede fedtsyrer har nogle ejendommeligheder. Vanskeligheden ved at oxidere kæder med dobbeltbindinger ligger således i, at sidstnævnte ikke kan udsættes for enoyl-CoA-hydratase på grund af det faktum, at de er i cis-position. Dette problem elimineres af enoyl-CoA-isomerase, på grund af hvilken bindingen får en trans-konfiguration. Som et resultat bliver molekylet fuldstændig identisk med produktet af det første trin af beta-oxidation og kan gennemgå hydrering. Websteder, der kun indeholder enkeltbindinger, oxideres på samme måde som mættede syrer.
Nogle gange er enoyl-CoA-isomerase ikke nok til at fortsætte processen. Dette gælder kæder, hvori cis9-cis12-konfigurationen er til stede (dobbeltbindinger ved det 9. og 12. carbonatom). Her er ikke kun konfigurationen en hindring, men også placeringen af dobbeltbindingerne i kæden. Sidstnævnte korrigeres af enzymet 2,4-dienoyl-CoA-reduktase.
Katabolisme af mærkelige fedtsyrer
Denne type syre er typisk for de fleste lipider af naturlig (naturlig) oprindelse. Dette skaber en vis kompleksitet, da hver cyklusindebærer afkortning med et lige antal links. Af denne grund fortsætter den cykliske oxidation af de højere fedtsyrer i denne gruppe, indtil fremkomsten af en 5-carbonforbindelse som et produkt, der sp altes til acetyl-CoA og propionyl-coenzym A. Begge forbindelser indgår i en anden cyklus med tre reaktioner, som et resultat af hvilket succinyl-CoA dannes. Det er ham, der kommer ind i Krebs-cyklussen.
Funktioner ved oxidation i peroxisomer
I peroxisomer sker fedtsyreoxidation via en beta-mekanisme, der ligner, men ikke er identisk, med mitokondrie. Det består også af 4 stadier, der kulminerer i dannelsen af produktet i form af acetyl-CoA, men det har flere vigtige forskelle. Brinten frasp altes således på dehydrogeneringstrinnet ikke genopretter FAD, men går over til oxygen med dannelse af hydrogenperoxid. Sidstnævnte gennemgår straks sp altning under påvirkning af katalase. Som følge heraf spredes energi, der kunne have været brugt til at syntetisere ATP i åndedrætskæden, som varme.
Den anden vigtige forskel er, at nogle peroxisomenzymer er specifikke for visse mindre rigelige fedtsyrer og ikke er til stede i mitokondriematrixen.
Trækket ved peroxisomer i leverceller er, at der ikke er noget enzymatisk apparat i Krebs-cyklussen. Derfor dannes der som følge af beta-oxidation kortkædede produkter, som transporteres til mitokondrierne for oxidation.
