Principala condiție pentru viața oricărui organism este furnizarea continuă de energie, care este cheltuită pe diferite procese celulare. În același timp, o anumită parte a compușilor nutritivi nu poate fi utilizată imediat, dar poate fi transformată în rezerve. Rolul unui astfel de rezervor este îndeplinit de grăsimi (lipide), constând din glicerol și acizi grași. Acestea din urmă sunt folosite de celulă drept combustibil. În acest caz, acizii grași sunt oxidați la CO2 și H2O.
Acizi grași de bază
Acizii grași sunt lanțuri de carbon de diferite lungimi (de la 4 la 36 de atomi), care sunt clasificați chimic ca acizi carboxilici. Aceste lanțuri pot fi fie ramificate, fie neramificate și conțin un număr diferit de legături duble. Dacă aceștia din urmă sunt complet absenți, acizii grași sunt numiți saturați (tipic pentru multe lipide de origine animală), iar în caz contrar -nesaturat. Conform aranjamentului dublelor legături, acizii grași sunt împărțiți în mononesaturați și polinesaturați.
Majoritatea lanțurilor conțin un număr par de atomi de carbon, ceea ce se datorează particularității sintezei lor. Cu toate acestea, există conexiuni cu un număr impar de link-uri. Oxidarea acestor două tipuri de compuși este ușor diferită.
Caracteristici generale
Procesul de oxidare a acizilor grași este complex și în mai multe etape. Începe cu pătrunderea lor în celulă și se termină în lanțul respirator. În același timp, etapele finale repetă efectiv catabolismul carbohidraților (ciclul Krebs, transformarea energiei gradientului transmembranar într-o legătură macroergică). Produsele finali ale procesului sunt ATP, CO2 și apă.
Oxidarea acizilor grași într-o celulă eucariotă se realizează în mitocondrii (cel mai caracteristic loc de localizare), peroxizomi sau reticul endoplasmatic.
Soiuri (tipuri) de oxidare
Există trei tipuri de oxidare a acizilor grași: α, β și ω. Cel mai adesea, acest proces are loc prin mecanismul β și este localizat în mitocondrii. Calea omega este o alternativă minoră la mecanismul β și se desfășoară în reticulul endoplasmatic, în timp ce mecanismul alfa este caracteristic unui singur tip de acid gras (fitanic).
Biochimia oxidării acizilor grași în mitocondrii
Pentru comoditate, procesul de catabolism mitocondrial este împărțit în mod convențional în 3 etape:
- activare și transport la mitocondrii;
- oxidare;
- oxidarea acetil-coenzimei A formate prin ciclul Krebs și lanțul de transport electric.
Activarea este un proces pregătitor care transformă acizii grași într-o formă disponibilă pentru transformări biochimice, deoarece aceste molecule în sine sunt inerte. În plus, fără activare, ele nu pot pătrunde în membranele mitocondriale. Această etapă are loc la membrana exterioară a mitocondriilor.
De fapt, oxidarea este un pas cheie în proces. Include patru etape, după care acidul gras este transformat în molecule de acetil-CoA. Același produs se formează în timpul utilizării carbohidraților, astfel încât etapele ulterioare sunt similare cu ultimele etape ale glicolizei aerobe. Formarea ATP are loc în lanțul de transport de electroni, unde energia potențialului electrochimic este folosită pentru a forma o legătură macroergică.
În procesul de oxidare a acizilor grași, pe lângă Acetil-CoA, se formează și molecule NADH și FADH2, care intră și în lanțul respirator ca donatori de electroni. Ca rezultat, producția totală de energie a catabolismului lipidic este destul de mare. Deci, de exemplu, oxidarea acidului palmitic de către mecanismul β dă 106 molecule de ATP.
Activare și transfer în matricea mitocondrială
Acizii grași înșiși sunt inerți și nu pot fi oxidați. Activarea le aduce într-o formă disponibilă pentru transformări biochimice. În plus, aceste molecule nu pot pătrunde neschimbate în mitocondrii.
Esența activării esteconversia unui acid gras în tioesterul său Acyl-CoA, care ulterior suferă oxidare. Acest proces este realizat de enzime speciale - tiokinaze (Acyl-CoA sintetaze) atașate la membrana exterioară a mitocondriilor. Reacția se desfășoară în 2 etape, asociate cu consumul de energie a doi ATP.
Trei componente sunt necesare pentru activare:
- ATF;
- HS-CoA;
- Mg2+.
În primul rând, acidul gras reacţionează cu ATP pentru a forma aciladenilat (un intermediar). Acesta, la rândul său, reacționează cu HS-CoA, a cărui grupare tiol înlocuiește AMP, formând o legătură tioeterică cu gruparea carboxil. Ca urmare, se formează substanța acil-CoA - un derivat de acid gras, care este transportat la mitocondrii.
Transport la mitocondrii
Acest pas se numește transesterificare cu carnitină. Transferul acil-CoA în matricea mitocondrială se realizează prin pori cu participarea carnitinei și a enzimelor speciale - carnitina aciltransferaze.
Pentru transportul prin membrane, CoA este înlocuit cu carnitină pentru a forma acil-carnitină. Această substanță este transportată în matrice prin difuzie facilitată de transportor de acil-carnitină/carnitină.
În interiorul mitocondriilor are loc o reacție inversă, constând în desprinderea retinei, care intră din nou în membrane, și refacerea acil-CoA (în acest caz se folosește coenzima A „locală”, și nu cel cu care s-a format legăturaîn etapa de activare).
Principale reacții de oxidare a acizilor grași prin mecanism β
Cel mai simplu tip de utilizare energetică a acizilor grași este β-oxidarea lanțurilor care nu au legături duble, în care numărul de unități de carbon este par. Substratul pentru acest proces, așa cum sa menționat mai sus, este acil coenzima A.
Procesul de β-oxidare a acizilor grași constă din 4 reacții:
- Dehidrogenarea este separarea hidrogenului dintr-un atom de carbon β cu formarea unei duble legături între legăturile de lanț situate în pozițiile α și β (primul și al doilea atom). Ca rezultat, se formează enoil-CoA. Enzima de reacție este acil-CoA dehidrogenaza, care acționează în combinație cu coenzima FAD (aceasta din urmă este redusă la FADH2).
- Hidratarea este adăugarea unei molecule de apă la enoil-CoA, având ca rezultat formarea L-β-hidroxiacil-CoA. Efectuat de enoil-CoA-hidratază.
- Dehidrogenare - oxidarea produsului reacției anterioare de către dehidrogenază dependentă de NAD cu formarea β-cetoacil-coenzimei A. În acest caz, NAD se reduce la NADH.
- Cliparea β-cetoacil-CoA la acetil-CoA și un acil-CoA scurtat cu 2 atomi de carbon. Reacția se realizează sub acțiunea tiolazei. O condiție prealabilă este prezența HS-CoA gratuit.
Apoi totul începe din nou cu prima reacție.
Repetarea ciclică a tuturor etapelor este efectuată până când întregul lanț de carbon al acidului gras este transformat în molecule de acetil-coenzima A.
Formarea acetil-CoA și ATP pe exemplul oxidării palmitoil-CoA
La sfârșitul fiecărui ciclu, moleculele acil-CoA, NADH și FADH2 se formează într-o singură cantitate, iar lanțul acil-CoA-tioeter devine mai scurt cu doi atomi. Prin transferul de electroni în lanțul de electrotransport, FADH2 dă o moleculă și jumătate de ATP, iar NADH două. Ca rezultat, se obțin 4 molecule de ATP dintr-un ciclu, fără a lua în calcul randamentul energetic al acetil-CoA.
Lanțul de acid palmitic are 16 atomi de carbon. Aceasta înseamnă că în stadiul de oxidare ar trebui efectuate 7 cicluri cu formarea a opt acetil-CoA, iar randamentul energetic din NADH și FADH2 în acest caz va fi de 28 de molecule de ATP. (4×7). Oxidarea acetil-CoA duce, de asemenea, la formarea energiei, care este stocată ca urmare a pătrunderii produselor ciclului Krebs în lanțul de transport electric.
Randament total al etapelor de oxidare și al ciclului Krebs
Ca urmare a oxidării acetil-CoA, se obțin 10 molecule de ATP. Deoarece catabolismul palmitoil-CoA produce 8 acetil-CoA, randamentul energetic va fi de 80 ATP (10×8). Dacă adăugați acest lucru la rezultatul oxidării NADH și FADH2, obțineți 108 molecule (80+28). Din această cantitate ar trebui să se scadă 2 ATP, care au dus la activarea acidului gras.
Ecuația finală pentru oxidarea acidului palmitic va fi: palmitoil-CoA + 16 O2 + 108 Pi + 80 ADP=CoA + 108 ATP + 16 CO2 + 16 H2O.
Calculul eliberării de energie
Esapament de energiede catabolismul unui anumit acid gras depinde de numărul de unități de carbon din lanțul său. Numărul de molecule de ATP este calculat prin formula:
[4(n/2 - 1) + n/2×10] - 2, unde 4 este cantitatea de ATP generată în timpul fiecărui ciclu datorită NADH și FADH2, (n/2 - 1) este numărul de cicluri, n/2×10 este randamentul energetic din oxidarea acetilului- CoA, iar 2 este costul activării.
Caracteristicile reacțiilor
Oxidarea acizilor grași nesaturați are unele particularități. Astfel, dificultatea de oxidare a lanțurilor cu duble legături constă în faptul că acestea din urmă nu pot fi expuse la enoil-CoA-hidratază datorită faptului că se află în poziție cis. Această problemă este eliminată de izomeraza enoil-CoA, datorită căreia legătura capătă o configurație trans. Ca urmare, molecula devine complet identică cu produsul primei etape de beta-oxidare și poate suferi hidratare. Locurile care conțin doar legături simple se oxidează în același mod ca acizii saturați.
Uneori, enoil-CoA-izomeraza nu este suficientă pentru a continua procesul. Acest lucru se aplică lanțurilor în care este prezentă configurația cis9-cis12 (legături duble la al 9-lea și al 12-lea atom de carbon). Aici, nu doar configurația este o piedică, ci și poziția dublelor legături în lanț. Acesta din urmă este corectat de enzima 2,4-dienoil-CoA reductază.
Catabolismul acizilor grași ciudați
Acest tip de acid este tipic pentru majoritatea lipidelor de origine naturală (naturală). Acest lucru creează o anumită complexitate, deoarece fiecare cicluimplică scurtarea cu un număr par de legături. Din acest motiv, oxidarea ciclică a acizilor grași superiori ai acestui grup continuă până la apariția unui compus cu 5 atomi de carbon ca produs, care este scindat în acetil-CoA și propionil-coenzima A. Ambii compuși intră într-un alt ciclu de trei reacții., în urma căruia se formează succinil-CoA. El este cel care intră în ciclul Krebs.
Caracteristici ale oxidării în peroxizomi
În peroxizomi, oxidarea acizilor grași are loc printr-un mecanism beta care este similar, dar nu identic, cu cel mitocondrial. De asemenea, constă din 4 etape, culminând cu formarea produsului sub formă de acetil-CoA, dar are câteva diferențe cheie. Astfel, hidrogenul desprins în etapa de dehidrogenare nu restabilește FAD, ci trece la oxigen cu formarea de peroxid de hidrogen. Acesta din urmă suferă imediat clivaj sub acțiunea catalazei. Ca rezultat, energia care ar fi putut fi folosită pentru a sintetiza ATP în lanțul respirator este disipată sub formă de căldură.
A doua diferență importantă este că unele enzime peroxizomale sunt specifice anumitor acizi grași mai puțin abundenți și nu sunt prezente în matricea mitocondrială.
Caracteristica peroxizomilor celulelor hepatice este că nu există un aparat enzimatic al ciclului Krebs. Prin urmare, ca urmare a beta-oxidării, se formează produse cu lanț scurt, care sunt transportate la mitocondrii pentru oxidare.
