Huvudvillkoret för en organisms liv är den kontinuerliga tillförseln av energi, som spenderas på olika cellulära processer. Samtidigt kan en viss del av näringsföreningarna inte användas omedelbart, utan kan omvandlas till reserver. Rollen för en sådan reservoar utförs av fetter (lipider), bestående av glycerol och fettsyror. De senare används av cellen som bränsle. I det här fallet oxideras fettsyror till CO2 och H2O.
Fetty acid basics
Fettsyror är kolkedjor av olika längd (från 4 till 36 atomer), som kemiskt klassificeras som karboxylsyror. Dessa kedjor kan vara antingen grenade eller ogrenade och innehålla olika antal dubbelbindningar. Om de senare är helt frånvarande kallas fettsyror mättade (typiskt för många lipider av animaliskt ursprung), och annars -omättad. Enligt arrangemanget av dubbelbindningar delas fettsyror in i enkelomättade och fleromättade.
De flesta kedjor innehåller ett jämnt antal kolatomer, vilket beror på det speciella med deras syntes. Det finns dock kopplingar med ett udda antal länkar. Oxidationen av dessa två typer av föreningar är något annorlunda.
Allmänna egenskaper
Fettsyraoxidationsprocessen är komplex och i flera steg. Det börjar med deras penetration in i cellen och slutar i andningskedjan. Samtidigt upprepar de sista stadierna faktiskt katabolismen av kolhydrater (Krebs-cykeln, omvandlingen av energin från transmembrangradienten till en makroergisk bindning). Slutprodukterna av processen är ATP, CO2 och vatten.
Oxidation av fettsyror i en eukaryot cell utförs i mitokondrier (den mest karakteristiska lokaliseringsplatsen), peroxisomer eller endoplasmatiskt retikulum.
Sorter (typer) av oxidation
Det finns tre typer av fettsyraoxidation: α, β och ω. Oftast fortsätter denna process av β-mekanismen och är lokaliserad i mitokondrier. Omega-vägen är ett mindre alternativ till β-mekanismen och utförs i det endoplasmatiska retikulum, medan alfamekanismen är karakteristisk för endast en typ av fettsyra (fytanisk).
Biokemi av fettsyraoxidation i mitokondrier
För enkelhetens skull är processen med mitokondriell katabolism konventionellt uppdelad i tre steg:
- aktivering och transport till mitokondrier;
- oxidation;
- oxidation av det bildade acetyl-koenzym A genom Krebs-cykeln och den elektriska transportkedjan.
Aktivering är en förberedande process som omvandlar fettsyror till en form som är tillgänglig för biokemiska omvandlingar, eftersom dessa molekyler i sig är inerta. Utan aktivering kan de dessutom inte penetrera mitokondriella membran. Detta stadium äger rum vid det yttre membranet av mitokondrierna.
Oxidation är faktiskt ett nyckelsteg i processen. Den innehåller fyra steg, varefter fettsyran omvandlas till Acetyl-CoA-molekyler. Samma produkt bildas under användningen av kolhydrater, så att de efterföljande stegen liknar de sista stegen av aerob glykolys. Bildandet av ATP sker i elektrontransportkedjan, där energin från den elektrokemiska potentialen används för att bilda en makroergisk bindning.
I processen med fettsyraoxidation bildas förutom Acetyl-CoA, även NADH- och FADH-molekyler2, som också kommer in i andningskedjan som elektrondonatorer. Som ett resultat är den totala energiproduktionen av lipidkatabolism ganska hög. Så till exempel ger oxidationen av palmitinsyra genom β-mekanismen 106 ATP-molekyler.
Aktivering och överföring till mitokondriematrisen
Fettsyror i sig är inerta och kan inte oxideras. Aktivering för dem till en form som är tillgänglig för biokemiska omvandlingar. Dessutom kan dessa molekyler inte komma in i mitokondrierna oförändrade.
Kärnan i aktivering äromvandlingen av en fettsyra till dess Acyl-CoA-tioester, som därefter genomgår oxidation. Denna process utförs av speciella enzymer - tiokinaser (Acyl-CoA-syntetaser) fästa vid mitokondriernas yttre membran. Reaktionen fortskrider i 2 steg, associerad med energiförbrukningen av två ATP.
Tre komponenter krävs för aktivering:
- ATF;
- HS-CoA;
- Mg2+.
Fettsyran reagerar först med ATP och bildar acyladenylat (en mellanprodukt). Det reagerar i sin tur med HS-CoA, vars tiolgrupp ersätter AMP och bildar en tioeterbindning med karboxylgruppen. Som ett resultat bildas ämnet acyl-CoA - ett fettsyraderivat, som transporteras till mitokondrierna.
Transport till mitokondrier
Detta steg kallas transesterifiering med karnitin. Överföringen av acyl-CoA till mitokondriella matrisen sker genom porerna med deltagande av karnitin och speciella enzymer - karnitinacyltransferaser.
För transport över membran ersätts CoA med karnitin för att bilda acyl-karnitin. Detta ämne transporteras in i matrisen med acyl-karnitin/karnitin-transportör underlättad diffusion.
Inuti mitokondrierna sker en omvänd reaktion, som består i att retinal lossnar, som återigen kommer in i membranen, och återställandet av acyl-CoA (i detta fall används det "lokala" koenzym A, och inte den som bandet bildades medvid aktiveringsstadiet).
Huvudreaktioner av fettsyraoxidation med β-mekanism
Den enklaste typen av energianvändning av fettsyror är β-oxidation av kedjor som inte har dubbelbindningar, där antalet kolenheter är jämnt. Substratet för denna process, som noterats ovan, är acylkoenzym A.
Processen för β-oxidation av fettsyror består av 4 reaktioner:
- Dehydrering är avsp altning av väte från en β-kolatom med bildning av en dubbelbindning mellan kedjelänkar belägna i α- och β-positioner (första och andra atomen). Som ett resultat bildas enoyl-CoA. Reaktionsenzymet är acyl-CoA-dehydrogenas, som verkar i kombination med koenzymet FAD (det senare reduceras till FADH2).
- Hydration är tillsatsen av en vattenmolekyl till enoyl-CoA, vilket resulterar i bildningen av L-β-hydroxiacyl-CoA. Utförs av enoyl-CoA-hydratas.
- Dehydrering - oxidation av produkten från föregående reaktion med NAD-beroende dehydrogenas med bildning av β-ketoacyl-koenzym A. I detta fall reduceras NAD till NADH.
- Klyvning av β-ketoacyl-CoA till acetyl-CoA och en 2-kols förkortad acyl-CoA. Reaktionen utförs under verkan av tiolas. En förutsättning är närvaron av gratis HS-CoA.
Sedan börjar allt igen med den första reaktionen.
Den cykliska upprepningen av alla stadier utförs tills hela kolkedjan i fettsyran omvandlas till molekyler av acetyl-koenzym A.
Bildning av acetyl-CoA och ATP på exemplet med palmitoyl-CoA-oxidation
I slutet av varje cykel bildas acyl-CoA-, NADH- och FADH2-molekyler i en enda mängd, och acyl-CoA-tioeterkedjan blir kortare med två atomer. Genom att överföra elektroner till elektrotransportkedjan ger FADH2 en och en halv ATP-molekyl och NADH två. Som ett resultat erhålls 4 ATP-molekyler från en cykel, utan att räkna energiutbytet av acetyl-CoA.
Palmitinsyrakedjan har 16 kolatomer. Detta innebär att vid oxidationsstadiet bör 7 cykler utföras med bildning av åtta acetyl-CoA, och energiutbytet från NADH och FADH2 i detta fall kommer att vara 28 ATP-molekyler (4×7). Oxidationen av acetyl-CoA går också till bildning av energi, som lagras som ett resultat av att produkterna från Krebs-cykeln kommer in i den elektriska transportkedjan.
Tot alt utbyte av oxidationssteg och Krebs-cykel
Som ett resultat av oxidationen av acetyl-CoA erhålls 10 ATP-molekyler. Eftersom katabolismen av palmitoyl-CoA ger 8 acetyl-CoA, blir energiutbytet 80 ATP (10×8). Om man lägger till detta till resultatet av oxidationen av NADH och FADH2 får man 108 molekyler (80+28). Från denna mängd ska 2 ATP subtraheras, vilket gick till att aktivera fettsyran.
Den slutliga ekvationen för oxidationen av palmitinsyra blir: palmitoyl-CoA + 16 O2 + 108 Pi + 80 ADP=CoA + 108 ATP + 16 CO2 + 16 H2O.
Beräkning av energiutsläpp
Energiavgaserpå katabolismen av en viss fettsyra beror på antalet kolenheter i dess kedja. Antalet ATP-molekyler beräknas med formeln:
[4(n/2 - 1) + n/2×10] - 2, där 4 är mängden ATP som genereras under varje cykel på grund av NADH och FADH2, (n/2 - 1) är antalet cykler, n/2×10 är energiutbytet från oxidationen av acetyl- CoA, och 2 är kostnaden för aktivering.
Funktioner för reaktioner
Oxidation av omättade fettsyror har vissa egenheter. Svårigheten med att oxidera kedjor med dubbelbindningar ligger alltså i det faktum att de senare inte kan exponeras för enoyl-CoA-hydratas på grund av att de är i cis-position. Detta problem elimineras av enoyl-CoA-isomeras, på grund av vilket bindningen får en trans-konfiguration. Som ett resultat blir molekylen helt identisk med produkten från det första steget av beta-oxidation och kan genomgå hydrering. Webbplatser som bara innehåller enkelbindningar oxiderar på samma sätt som mättade syror.
Ibland räcker det inte med enoyl-CoA-isomeras för att fortsätta processen. Detta gäller kedjor i vilka cis9-cis12-konfigurationen finns (dubbelbindningar vid 9:e och 12:e kolatomerna). Här är inte bara konfigurationen ett hinder, utan också positionen för dubbelbindningarna i kedjan. Det senare korrigeras av enzymet 2,4-dienoyl-CoA-reduktas.
Katabolism av udda fettsyror
Denna typ av syra är typisk för de flesta lipider av naturligt (naturligt) ursprung. Detta skapar en viss komplexitet, eftersom varje cykelinnebär förkortning med ett jämnt antal länkar. Av denna anledning fortsätter den cykliska oxidationen av de högre fettsyrorna i denna grupp tills uppkomsten av en 5-kolförening som en produkt, som spjälkas till acetyl-CoA och propionyl-koenzym A. Båda föreningarna går in i en annan cykel av tre reaktioner, som ett resultat av vilket succinyl-CoA bildas. Det är han som går in i Krebs-cykeln.
Funktioner för oxidation i peroxisomer
I peroxisomer sker fettsyraoxidation via en betamekanism som liknar, men inte identisk, med mitokondriella. Den består också av 4 steg, som kulminerar i bildningen av produkten i form av acetyl-CoA, men den har flera viktiga skillnader. Således återställer inte vätet vid dehydreringssteget FAD, utan går över till syre med bildning av väteperoxid. Den senare genomgår omedelbart klyvning under inverkan av katalas. Som ett resultat av detta försvinner energi som kunde ha använts för att syntetisera ATP i andningskedjan som värme.
Den andra viktiga skillnaden är att vissa peroxisomenzymer är specifika för vissa mindre rikliga fettsyror och inte finns i mitokondriematrisen.
Funktionen hos peroxisomer i leverceller är att det inte finns någon enzymapparat i Krebs-cykeln. Därför, som ett resultat av beta-oxidation, bildas kortkedjiga produkter, som transporteras till mitokondrierna för oxidation.
