Minden szervezet életének fő feltétele a folyamatos energiaellátás, amelyet különféle sejtfolyamatokra fordítanak. Ugyanakkor a tápanyagvegyületek egy része nem azonnal hasznosítható, hanem tartalékokká alakítható. Az ilyen tartály szerepét a glicerinből és zsírsavakból álló zsírok (lipidek) töltik be. Ez utóbbiakat a cella üzemanyagként használja. Ebben az esetben a zsírsavak CO2 és H2O.
-ra oxidálódnak.
Bázis zsírsavak
A zsírsavak különböző hosszúságú (4-36 atomos) szénláncok, amelyeket kémiailag a karbonsavak közé sorolnak. Ezek a láncok lehetnek elágazóak vagy el nem ágaztak, és különböző számú kettős kötést tartalmazhatnak. Ha ez utóbbiak teljesen hiányoznak, a zsírsavakat telítettnek nevezik (tipikus sok állati eredetű lipidre), és egyébként -telítetlen. A kettős kötések elrendezése szerint a zsírsavakat egyszeresen telítetlenre és többszörösen telítetlenre osztják.
A legtöbb lánc páros számú szénatomot tartalmaz, ami szintézisük sajátosságából adódik. Vannak azonban páratlan számú hivatkozással rendelkező kapcsolatok. Ennek a két vegyülettípusnak az oxidációja kissé eltérő.
Általános jellemzők
A zsírsav-oxidáció folyamata összetett és többlépcsős. A sejtbe való behatolásukkal kezdődik, és a légzési láncban ér véget. Ugyanakkor a végső szakaszok tulajdonképpen megismétlik a szénhidrátok katabolizmusát (a Krebs-ciklust, a transzmembrán gradiens energiájának átalakulását makroerg kötéssé). A folyamat végtermékei az ATP, CO2 és víz.
Eukarióta sejtekben a zsírsavak oxidációja mitokondriumokban (a legjellemzőbb lokalizációs hely), peroxiszómákban vagy endoplazmatikus retikulumban történik.
Az oxidáció fajtái (típusai)
A zsírsav-oxidációnak három típusa van: α, β és ω. Leggyakrabban ez a folyamat a β-mechanizmuson keresztül megy végbe, és a mitokondriumokban lokalizálódik. Az omega-útvonal a β-mechanizmus kisebb alternatívája, és az endoplazmatikus retikulumban valósul meg, míg az alfa-mechanizmus csak egyfajta zsírsavra (fitánsav) jellemző.
A zsírsav-oxidáció biokémiája mitokondriumokban
A kényelem kedvéért a mitokondriális katabolizmus folyamatát hagyományosan 3 szakaszra osztják:
- aktiválás és szállítás a mitokondriumokba;
- oxidáció;
- a képződött acetil-koenzim A oxidációja a Krebs-cikluson és az elektromos transzportláncon keresztül.
Az aktiválás egy előkészítő folyamat, amely a zsírsavakat olyan formává alakítja, amely elérhető a biokémiai átalakulásokhoz, mivel ezek a molekulák maguk is inertek. Ezenkívül aktiválás nélkül nem tudnak áthatolni a mitokondriális membránokon. Ez a szakasz a mitokondriumok külső membránján játszódik le.
Valójában az oxidáció a folyamat kulcsfontosságú lépése. Négy szakaszból áll, amelyek után a zsírsav acetil-CoA molekulákká alakul. Ugyanez a termék képződik a szénhidrátok hasznosítása során, így a következő lépések hasonlóak az aerob glikolízis utolsó lépéseihez. Az ATP képződése az elektrontranszport láncban megy végbe, ahol az elektrokémiai potenciál energiáját használják fel egy makroerg kötés kialakítására.
A zsírsav-oxidáció során az acetil-CoA mellett NADH és FADH molekulák is keletkeznek2, amelyek elektrondonorként is bejutnak a légzőláncba. Ennek eredményeként a lipidkatabolizmus teljes energiatermelése meglehetősen magas. Így például a palmitinsav β-mechanizmussal történő oxidációja 106 ATP-molekulát eredményez.
Aktiválás és átvitel a mitokondriális mátrixba
A zsírsavak önmagukban semlegesek és nem oxidálhatók. Az aktiválás a biokémiai átalakulások számára elérhető formába hozza őket. Ráadásul ezek a molekulák nem tudnak változatlan formában bejutni a mitokondriumokba.
Az aktiválás lényege azegy zsírsav átalakulása acil-CoA-tioészterré, amely ezt követően oxidáción megy keresztül. Ezt a folyamatot speciális enzimek - tiokinázok (acil-CoA szintetázok) végzik, amelyek a mitokondriumok külső membránjához kapcsolódnak. A reakció 2 lépésben megy végbe, két ATP energiájának felhasználásával.
Három összetevő szükséges az aktiváláshoz:
- ATF;
- HS-CoA;
- Mg2+.
Először is, a zsírsav reakcióba lép az ATP-vel, és aciladenilátot képez (egy intermedier). Ez viszont reagál a HS-CoA-val, amelynek tiolcsoportja kiszorítja az AMP-t, és tioéter kötést képez a karboxilcsoporttal. Ennek eredményeként az acil-CoA anyag képződik - egy zsírsavszármazék, amely a mitokondriumokba kerül.
Szállítás a mitokondriumokba
Ezt a lépést karnitinnel történő átészterezésnek nevezik. Az acil-CoA átvitele a mitokondriális mátrixba a pórusokon keresztül történik karnitin és speciális enzimek - karnitin-aciltranszferázok - részvételével.
A membránokon keresztül történő szállításhoz a CoA-t karnitin helyettesíti, így acil-karnitin keletkezik. Ezt az anyagot acil-karnitin/karnitin transzporter által segített diffúzió szállítja a mátrixba.
A mitokondriumokon belül inverz reakció megy végbe, ami a retina leválásából áll, amely ismét a membránokba kerül, és az acil-CoA (ebben az esetben a „helyi” koenzim A-t használjuk, ill. nem az, amellyel a kötelék létrejöttaz aktiválási szakaszban).
A zsírsavak β-mechanizmussal történő oxidációjának fő reakciói
A zsírsavak energiahasznosításának legegyszerűbb módja a kettős kötést nem tartalmazó láncok β-oxidációja, amelyben a szénegységek száma páros. Ennek a folyamatnak a szubsztrátja, amint fentebb megjegyeztük, az acil-koenzim A.
A zsírsavak β-oxidációjának folyamata 4 reakcióból áll:
- A dehidrogénezés a hidrogén leválasztása egy β-szénatomról kettős kötés képződésével az α és β-helyzetben elhelyezkedő láncszemek között (első és második atom). Ennek eredményeként enoil-CoA képződik. A reakció enzim az acil-CoA dehidrogenáz, amely a FAD koenzimmel kombinálva fejti ki hatását (ez utóbbi FADH2-vé redukálódik).
- A hidratálás egy vízmolekula hozzáadása az enoil-CoA-hoz, ami L-β-hidroxi-acil-CoA képződését eredményezi. Az enoil-CoA-hidratáz hajtja végre.
- Dehidrogénezés - az előző reakció termékének NAD-függő dehidrogenázzal történő oxidációja β-ketoacil-koenzim A képződésével. Ebben az esetben a NAD NADH-vá redukálódik.
- A β-ketoacil-CoA hasítása acetil-CoA-vá és egy 2 szénatommal rövidített acil-CoA-vá. A reakciót tioláz hatására hajtjuk végre. Előfeltétel az ingyenes HS-CoA jelenléte.
Ezután minden kezdődik elölről az első reakcióval.
Az összes szakasz ciklikus ismétlését addig végezzük, amíg a zsírsav teljes szénlánca acetil-koenzim A molekulákká alakul.
Acetil-CoA és ATP képződése palmitoil-CoA oxidáció példáján
Minden ciklus végén egyetlen mennyiségben képződnek acil-CoA, NADH és FADH2 molekulák, és az acil-CoA-tioéter lánc két atommal rövidül. Az elektronok elektrotranszport láncba való átvitelével a FADH2 másfél ATP-molekulát ad, a NADH pedig kettőt. Ennek eredményeként egy ciklusból 4 ATP-molekula nyerhető, nem számítva az acetil-CoA energiahozamát.
A palmitinsavlánc 16 szénatomos. Ez azt jelenti, hogy az oxidáció szakaszában 7 ciklust kell végrehajtani nyolc acetil-CoA képződésével, és a NADH és FADH2 energiahozama ebben az esetben 28 ATP molekula lesz. (4×7). Az acetil-CoA oxidációja szintén energiává válik, ami a Krebs-ciklus termékeinek az elektromos szállítási láncba való bejutása következtében raktározódik el.
Az oxidációs lépések és a Krebs-ciklus összhozama
Az acetil-CoA oxidációja eredményeként 10 ATP-molekula keletkezik. Mivel a palmitoil-CoA katabolizmusa 8 acetil-CoA-t eredményez, az energiahozam 80 ATP (10×8) lesz. Ha ezt hozzáadjuk a NADH és a FADH2 oxidációjának eredményéhez, akkor 108 molekulát kapunk (80+28). Ebből a mennyiségből le kell vonni 2 ATP-t, ami a zsírsav aktiválásához ment.
A palmitinsav oxidációjának végső egyenlete a következő: palmitoil-CoA + 16 O2 + 108 Pi + 80 ADP=CoA + 108 ATP + 16 CO2 + 16 H2O.
Az energiafelszabadulás kiszámítása
EnergiakipufogóEgy adott zsírsav katabolizmusa a láncban lévő szénegységek számától függ. Az ATP-molekulák számát a következő képlettel számítjuk ki:
[4(n/2 - 1) + n/2×10] - 2, ahol 4 az egyes ciklusok során a NADH és FADH2 hatására keletkező ATP mennyisége, (n/2 - 1) a ciklusok száma, n/2×10 az acetil-oxidációból származó energiahozam CoA, a 2 pedig az aktiválás költsége.
A reakciók jellemzői
A telítetlen zsírsavak oxidációjának van néhány sajátossága. Így a kettős kötéssel oxidáló láncok nehézsége abban rejlik, hogy az utóbbiakat cisz-helyzetük miatt nem lehet kitenni az enoil-CoA-hidratáz hatásának. Ezt a problémát kiküszöböli az enoil-CoA izomeráz, aminek következtében a kötés transz konfigurációt vesz fel. Ennek eredményeként a molekula teljesen azonossá válik a béta-oxidáció első szakaszának termékével, és hidratálódhat. A csak egyes kötéseket tartalmazó helyek ugyanúgy oxidálódnak, mint a telített savak.
Néha az enoil-CoA-izomeráz nem elegendő a folyamat folytatásához. Ez azokra a láncokra vonatkozik, amelyekben jelen van a cisz9-cisz12 konfiguráció (kettős kötések a 9. és 12. szénatomon). Itt nemcsak a konfiguráció akadályoz, hanem a kettős kötések helyzete is a láncban. Ez utóbbit a 2,4-dienoil-CoA-reduktáz enzim korrigálja.
A páratlan zsírsavak lebontása
Ez a fajta sav a legtöbb természetes (természetes) eredetű lipidre jellemző. Ez egy bizonyos bonyolultságot hoz létre, mivel minden cikluspáros számú hivatkozással való rövidítést jelent. Emiatt az ebbe a csoportba tartozó magasabb zsírsavak ciklikus oxidációja addig tart, amíg egy 5 szénatomos vegyület meg nem jelenik termékként, amely acetil-CoA-ra és propionil-koenzim A-ra hasad. Mindkét vegyület egy másik három reakcióból álló ciklusba lép be., melynek eredményeként szukcinil-CoA képződik. Ő lép be a Krebs-ciklusba.
A peroxiszómák oxidációjának jellemzői
A peroxiszómákban a zsírsav-oxidáció egy béta-mechanizmuson keresztül megy végbe, amely hasonló, de nem azonos a mitokondriálishoz. Ez is 4 szakaszból áll, amelyek csúcspontja a termék acetil-CoA formájú képződése, de van néhány lényeges különbsége. Így a dehidrogénezési szakaszban levált hidrogén nem állítja helyre a FAD-t, hanem hidrogén-peroxid képződésével oxigénné alakul át. Ez utóbbi azonnal hasításon megy keresztül a kataláz hatására. Ennek eredményeként az az energia, amelyet a légzőláncban az ATP-szintetizáláshoz felhasználhattak volna, hőként disszipálódik.
A második fontos különbség az, hogy egyes peroxiszóma enzimek specifikusak bizonyos kevésbé bőséges zsírsavakra, és nincsenek jelen a mitokondriális mátrixban.
A májsejtek peroxiszómáinak sajátossága, hogy a Krebs-ciklusnak nincs enzimatikus apparátusa. Ezért a béta-oxidáció eredményeként rövid láncú termékek keletkeznek, amelyek a mitokondriumokba szállítódnak oxidáció céljából.
