Pagrindinė bet kurio organizmo gyvavimo sąlyga yra nuolatinis energijos tiekimas, kuri išleidžiama įvairiems ląstelių procesams. Tuo pačiu metu tam tikra maistinių junginių dalis negali būti panaudota iš karto, bet gali būti paversta atsargomis. Tokio rezervuaro vaidmenį atlieka riebalai (lipidai), susidedantys iš glicerolio ir riebalų rūgščių. Pastaruosius elementas naudoja kaip kurą. Šiuo atveju riebalų rūgštys oksiduojamos į CO2 ir H2O.
Pagrindinės riebalų rūgštys
Riebalų rūgštys yra įvairaus ilgio (nuo 4 iki 36 atomų) anglies grandinės, kurios chemiškai priskiriamos karboksirūgštims. Šios grandinės gali būti šakotos arba nešakotos ir turėti skirtingą dvigubų jungčių skaičių. Jei pastarųjų visiškai nėra, riebalų rūgštys vadinamos sočiosiomis (būdingos daugeliui gyvūninės kilmės lipidų), o kitaip -nesočiųjų. Pagal dvigubų jungčių išsidėstymą riebalų rūgštys skirstomos į mononesočiąsias ir polinesočiąsias.
Daugelyje grandinių yra lyginis anglies atomų skaičius, o tai lemia jų sintezės ypatumai. Tačiau yra jungčių su nelyginiu nuorodų skaičiumi. Šių dviejų tipų junginių oksidacija šiek tiek skiriasi.
Bendrosios charakteristikos
Riebalų rūgščių oksidacijos procesas yra sudėtingas ir daugiapakopis. Jis prasideda nuo jų įsiskverbimo į ląstelę ir baigiasi kvėpavimo grandine. Tuo pačiu metu paskutiniai etapai iš tikrųjų kartoja angliavandenių katabolizmą (Krebso ciklą, transmembraninio gradiento energijos pavertimą makroergine jungtimi). Galutiniai proceso produktai yra ATP, CO2 ir vanduo.
Riebalų rūgščių oksidacija eukariotų ląstelėje vyksta mitochondrijose (būdingiausia lokalizacijos vieta), peroksisomose arba endoplazminiame tinkle.
Oksidacijos rūšys (rūšys)
Yra trys riebalų rūgščių oksidacijos tipai: α, β ir ω. Dažniausiai šis procesas vyksta β mechanizmu ir yra lokalizuotas mitochondrijose. Omega kelias yra nedidelė β-mechanizmo alternatyva ir atliekama endoplazminiame tinkle, o alfa mechanizmas būdingas tik vienos rūšies riebalų rūgštims (fitano).
Riebalų rūgščių oksidacijos biochemija mitochondrijose
Patogumo dėlei mitochondrijų katabolizmo procesas paprastai skirstomas į 3 etapus:
- aktyvinimas ir transportavimas į mitochondrijas;
- oksidacija;
- susidariusio acetilkofermento A oksidacija per Krebso ciklą ir elektros transportavimo grandinę.
Aktyvinimas yra paruošiamasis procesas, kurio metu riebalų rūgštys paverčiamos biocheminėms transformacijoms tinkama forma, nes pačios šios molekulės yra inertiškos. Be to, be aktyvacijos jie negali prasiskverbti per mitochondrijų membranas. Šis etapas vyksta išorinėje mitochondrijų membranoje.
Tiesą sakant, oksidacija yra pagrindinis proceso žingsnis. Jį sudaro keturi etapai, po kurių riebalų rūgštis paverčiama acetil-CoA molekulėmis. Tas pats produktas susidaro naudojant angliavandenius, todėl tolesni veiksmai yra panašūs į paskutinius aerobinės glikolizės etapus. ATP susidaro elektronų pernešimo grandinėje, kur elektrocheminio potencialo energija panaudojama makroerginiam ryšiui sudaryti.
Riebalų rūgščių oksidacijos procese, be acetil-CoA, taip pat susidaro NADH ir FADH molekulės2, kurios taip pat patenka į kvėpavimo grandinę kaip elektronų donorės. Dėl to bendra lipidų katabolizmo energija yra gana didelė. Pavyzdžiui, oksiduojant palmitino rūgštį β-mechanizmu gaunamos 106 ATP molekulės.
Aktyvinimas ir perkėlimas į mitochondrijų matricą
Pačios riebalų rūgštys yra inertiškos ir negali būti oksiduojamos. Aktyvinimas suteikia jiems formą, prieinamą biocheminėms transformacijoms. Be to, šios molekulės negali patekti į mitochondrijas nepakitusios.
Suaktyvinimo esmė yrariebalų rūgšties pavertimas acil-CoA-tioesteriu, kuris vėliau oksiduojamas. Šį procesą vykdo specialūs fermentai – tiokinazės (Acil-CoA sintetazės), prisijungusios prie išorinės mitochondrijų membranos. Reakcija vyksta 2 etapais, susijusiais su dviejų ATP energijos sąnaudomis.
Norint suaktyvinti, reikalingi trys komponentai:
- ATF;
- HS-CoA;
- Mg2+.
Pirma, riebalų rūgštis reaguoja su ATP ir susidaro aciladenilatas (tarpinis produktas). Tai, savo ruožtu, reaguoja su HS-CoA, kurio tiolio grupė išstumia AMP, sudarydama tioeterio ryšį su karboksilo grupe. Dėl to susidaro medžiaga acil-CoA – riebalų rūgščių darinys, kuris pernešamas į mitochondrijas.
Transportas į mitochondrijas
Šis veiksmas vadinamas peresterifikavimu karnitinu. Acil-CoA pernešimas į mitochondrijų matricą vyksta per poras, dalyvaujant karnitinui ir specialiems fermentams – karnitino aciltransferazėms.
Pernešant per membranas CoA pakeičiamas karnitinu, kad susidarytų acilkarnitinas. Ši medžiaga į matricą pernešama naudojant acil-karnitino/karnitino transporterio palengvintą difuziją.
Mitochondrijose vyksta atvirkštinė reakcija, kurią sudaro tinklainės atsiskyrimas, kuris vėl patenka į membranas, ir acil-CoA atstatymas (šiuo atveju naudojamas „vietinis“kofermentas A, ne ta, su kuria buvo užmegztas ryšysaktyvinimo etape).
Pagrindinės riebalų rūgščių oksidacijos β-mechanizmu reakcijos
Paprasčiausias riebalų rūgščių energijos panaudojimo būdas yra dvigubų jungčių neturinčių grandinių β-oksidacija, kurioje anglies vienetų skaičius yra lygus. Šio proceso substratas, kaip minėta aukščiau, yra acilo kofermentas A.
Riebalų rūgščių β-oksidacijos procesas susideda iš 4 reakcijų:
- Dehidrinimas yra vandenilio atskyrimas nuo β-anglies atomo, susidarant dvigubai jungtims tarp grandinės grandžių, esančių α ir β padėtyse (pirmasis ir antrasis atomai). Dėl to susidaro enoil-CoA. Reakcijos fermentas yra acil-CoA dehidrogenazė, kuri veikia kartu su kofermentu FAD (pastarasis redukuojamas iki FADH2).
- Hidracija yra vandens molekulės pridėjimas prie enoil-CoA, dėl kurio susidaro L-β-hidroksiacil-CoA. Atlieka enoil-CoA-hidratazė.
- Dehidrogenavimas – ankstesnės reakcijos produkto oksidacija nuo NAD priklausoma dehidrogenaze, susidarant β-ketoacilkofermentui A. Šiuo atveju NAD redukuojamas iki NADH.
- β-ketoacil-CoA skilimas į acetil-CoA ir 2 anglimi sutrumpintą acil-CoA. Reakcija vyksta veikiant tiolazei. Būtina sąlyga yra nemokamas HS-CoA.
Tada viskas prasideda iš naujo nuo pirmosios reakcijos.
Ciklinis visų etapų kartojimas atliekamas tol, kol visa riebalų rūgšties anglies grandinė paverčiama acetilkofermento A molekulėmis.
Acetil-CoA ir ATP susidarymas palmitoil-CoA oksidacijos pavyzdžiu
Kiekvieno ciklo pabaigoje acil-CoA, NADH ir FADH2 molekulės susidaro vienu kiekiu, o acil-CoA-tioeterio grandinė sutrumpėja dviem atomais. Perkeldamas elektronus į elektrotransporto grandinę, FADH2 suteikia pusantros ATP molekulės, o NADH – dvi. Dėl to per vieną ciklą gaunamos 4 ATP molekulės, neskaičiuojant acetil-CoA energijos išeigos.
Palmitino rūgšties grandinėje yra 16 anglies atomų. Tai reiškia, kad oksidacijos stadijoje turėtų būti atlikti 7 ciklai, susidarant aštuoniems acetil-CoA, o energijos išeiga iš NADH ir FADH2 šiuo atveju bus 28 ATP molekulės. (4×7). Acetil-CoA oksidacija taip pat susijusi su energijos susidarymu, kuris kaupiasi Krebso ciklo produktams patekus į elektros transportavimo grandinę.
Bendra oksidacijos etapų ir Krebso ciklo išeiga
Oksiduojant acetil-CoA, gaunama 10 ATP molekulių. Kadangi palmitoil-CoA katabolizmas duoda 8 acetil-CoA, energijos išeiga bus 80 ATP (10 × 8). Jei pridėsite tai prie NADH ir FADH2 oksidacijos rezultato, gausite 108 molekules (80+28). Iš šio kiekio reikėtų atimti 2 ATP, kurie suaktyvino riebalų rūgštis.
Galutinė palmitino rūgšties oksidacijos lygtis bus tokia: palmitoil-CoA + 16 O2 + 108 Pi + 80 ADP=CoA + 108 ATP + 16 CO2 + 16 H2O.
Energijos išsiskyrimo apskaičiavimas
Energijos išmetimastam tikros riebalų rūgšties katabolizmas priklauso nuo anglies vienetų skaičiaus jos grandinėje. ATP molekulių skaičius apskaičiuojamas pagal formulę:
[4 (n/2 – 1) + n/2×10] – 2, kur 4 yra ATP kiekis, susidarantis per kiekvieną ciklą dėl NADH ir FADH2, (n/2 - 1) yra ciklų skaičius, n/2 × 10 yra energijos išeiga oksiduojant acetil- CoA, o 2 yra aktyvinimo kaina.
Reakcijų ypatybės
Nesočiųjų riebalų rūgščių oksidacija turi tam tikrų ypatumų. Taigi, grandinės su dvigubomis jungtimis sudėtingumas yra tas, kad pastarosios negali būti veikiamos enoil-CoA-hidratazės dėl to, kad jos yra cis padėtyje. Šią problemą pašalina enoil-CoA izomerazė, dėl kurios ryšys įgauna trans konfigūraciją. Dėl to molekulė tampa visiškai identiška pirmojo beta oksidacijos etapo produktui ir gali būti hidratuojama. Vietos, kuriose yra tik pavienių jungčių, oksiduojasi taip pat, kaip ir sočiosios rūgštys.
Kartais enoil-CoA-izomerazės nepakanka norint tęsti procesą. Tai taikoma grandinėms, kuriose yra cis9-cis12 konfigūracija (dvigubos jungtys ties 9 ir 12 anglies atomais). Čia trukdo ne tik konfigūracija, bet ir dvigubų jungčių padėtis grandinėje. Pastarąjį koreguoja fermentas 2,4-dienoil-CoA reduktazė.
Keistinių riebalų rūgščių katabolizmas
Šis rūgšties tipas būdingas daugumai natūralios (natūralios) kilmės lipidų. Tai sukuria tam tikrą sudėtingumą, nes kiekvienas ciklasreiškia sutrumpinimą lyginiu nuorodų skaičiumi. Dėl šios priežasties šios grupės aukštesnių riebalų rūgščių ciklinė oksidacija tęsiasi tol, kol susidaro 5 anglies junginys kaip produktas, kuris suskaidomas į acetil-CoA ir propionilkofermentą A. Abu junginiai patenka į kitą trijų reakcijų ciklą., dėl ko susidaro sukcinil-CoA. Būtent jis patenka į Krebso ciklą.
Oksidacijos ypatumai peroksisomose
Peroksisomose riebalų rūgščių oksidacija vyksta per beta mechanizmą, panašų, bet ne identišką į mitochondrijų. Jį taip pat sudaro 4 etapai, kurių kulminacija yra acetil-CoA pavidalo produkto susidarymas, tačiau jis turi keletą pagrindinių skirtumų. Taigi, dehidrogenavimo stadijoje atskilęs vandenilis neatkuria FAD, o pereina į deguonį, susidarant vandenilio peroksidui. Pastarasis iš karto suskaidomas veikiant katalazei. Dėl to energija, kuri galėjo būti panaudota ATP sintezei kvėpavimo grandinėje, išsisklaido kaip šiluma.
Antras svarbus skirtumas yra tas, kad kai kurie peroksisomų fermentai yra būdingi tam tikroms mažiau gausioms riebalų rūgštims ir jų nėra mitochondrijų matricoje.
Kepenų ląstelių peroksisomų ypatybė yra ta, kad nėra Krebso ciklo fermentinio aparato. Todėl dėl beta oksidacijos susidaro trumpos grandinės produktai, kurie pernešami į mitochondrijas oksidacijai.
