Hlavní podmínkou pro život každého organismu je nepřetržitý přísun energie, která se vynakládá na různé buněčné procesy. Určitou část živných látek přitom nelze využít okamžitě, ale lze je přeměnit na zásoby. Úlohu takového zásobníku plní tuky (lipidy), skládající se z glycerolu a mastných kyselin. Ty poslední jsou využívány článkem jako palivo. V tomto případě se mastné kyseliny oxidují na CO2 a H2O.
Základy mastných kyselin
Mastné kyseliny jsou uhlíkové řetězce různé délky (od 4 do 36 atomů), které jsou chemicky klasifikovány jako karboxylové kyseliny. Tyto řetězce mohou být rozvětvené nebo nerozvětvené a obsahují různý počet dvojných vazeb. Pokud posledně jmenované zcela chybí, mastné kyseliny se nazývají nasycené (typické pro mnoho lipidů živočišného původu) a jinak -nenasycené. Podle uspořádání dvojných vazeb se mastné kyseliny dělí na mononenasycené a polynenasycené.
Většina řetězců obsahuje sudý počet atomů uhlíku, což je způsobeno zvláštností jejich syntézy. Existují však spojení s lichým počtem odkazů. Oxidace těchto dvou typů sloučenin je mírně odlišná.
Obecné vlastnosti
Proces oxidace mastných kyselin je složitý a vícestupňový. Začíná jejich průnikem do buňky a končí v dýchacím řetězci. V závěrečných fázích se přitom vlastně opakuje katabolismus sacharidů (Krebsův cyklus, přeměna energie transmembránového gradientu na makroergickou vazbu). Konečnými produkty procesu jsou ATP, CO2 a voda.
Oxidace mastných kyselin v eukaryotické buňce se provádí v mitochondriích (nejcharakterističtější místo lokalizace), peroxisomech nebo endoplazmatickém retikulu.
Odrůdy (typy) oxidace
Existují tři typy oxidace mastných kyselin: α, β a ω. Nejčastěji tento proces probíhá β-mechanismem a je lokalizován v mitochondriích. Cesta omega je vedlejší alternativou k β-mechanismu a probíhá v endoplazmatickém retikulu, zatímco mechanismus alfa je charakteristický pouze pro jeden typ mastné kyseliny (fytanové).
Biochemie oxidace mastných kyselin v mitochondriích
Pro usnadnění je proces mitochondriálního katabolismu konvenčně rozdělen do 3 fází:
- aktivace a transport do mitochondrií;
- oxidace;
- oxidace vytvořeného acetyl-koenzymu A prostřednictvím Krebsova cyklu a elektrického transportního řetězce.
Aktivace je přípravný proces, který převádí mastné kyseliny do formy dostupné pro biochemické přeměny, protože tyto molekuly samy o sobě jsou inertní. Navíc bez aktivace nemohou proniknout do mitochondriálních membrán. Tato fáze probíhá na vnější membráně mitochondrií.
Oxidace je ve skutečnosti klíčovým krokem v procesu. Zahrnuje čtyři stupně, po kterých se mastná kyselina přemění na molekuly Acetyl-CoA. Stejný produkt vzniká při využití sacharidů, takže následné kroky jsou podobné posledním krokům aerobní glykolýzy. K tvorbě ATP dochází v elektronovém transportním řetězci, kde se energie elektrochemického potenciálu využívá k vytvoření makroergické vazby.
V procesu oxidace mastných kyselin vznikají kromě Acetyl-CoA také molekuly NADH a FADH2, které rovněž vstupují do dýchacího řetězce jako dárci elektronů. Výsledkem je, že celkový energetický výdej při katabolismu lipidů je poměrně vysoký. Takže například oxidace kyseliny palmitové β-mechanismem dává 106 molekul ATP.
Aktivace a přenos do mitochondriální matrice
Samotné mastné kyseliny jsou inertní a nelze je oxidovat. Aktivace je přivede do formy dostupné pro biochemické přeměny. Navíc tyto molekuly nemohou vstoupit do mitochondrií beze změny.
Podstatou aktivace jepřeměna mastné kyseliny na její Acyl-CoA-thioester, který následně podléhá oxidaci. Tento proces provádějí speciální enzymy - thiokinázy (Acyl-CoA syntetázy) navázané na vnější membránu mitochondrií. Reakce probíhá ve 2 fázích spojených s výdejem energie dvou ATP.
K aktivaci jsou zapotřebí tři součásti:
- ATF;
- HS-CoA;
- Mg2+.
Za prvé, mastná kyselina reaguje s ATP za vzniku acyladenylátu (meziprodukt). Ten zase reaguje s HS-CoA, jehož thiolová skupina vytěsňuje AMP a vytváří thioetherovou vazbu s karboxylovou skupinou. V důsledku toho vzniká látka acyl-CoA - derivát mastné kyseliny, který je transportován do mitochondrií.
Doprava do mitochondrií
Tento krok se nazývá transesterifikace karnitinem. Přenos acyl-CoA do mitochondriální matrice se provádí přes póry za účasti karnitinu a speciálních enzymů - karnitin acyltransferáz.
Pro transport přes membrány je CoA nahrazen karnitinem za vzniku acyl-karnitinu. Tato látka je transportována do matrice acyl-karnitinovým/karnitinovým transportérem usnadněným difúzí.
Uvnitř mitochondrií probíhá inverzní reakce spočívající v odchlípení sítnice, která se opět dostává do membrán, a obnově acyl-CoA (v tomto případě se využívá „lokální“koenzym A, resp. ne ten, se kterým se pouto vytvořilove fázi aktivace).
Hlavní reakce oxidace mastných kyselin β-mechanismem
Nejjednodušším typem energetického využití mastných kyselin je β-oxidace řetězců, které nemají dvojné vazby, ve kterých je sudý počet uhlíkových jednotek. Substrátem pro tento proces, jak je uvedeno výše, je acylkoenzym A.
Proces β-oxidace mastných kyselin se skládá ze 4 reakcí:
- Dehydrogenace je odštěpení vodíku z atomu β-uhlíku za vzniku dvojné vazby mezi řetězovými články umístěnými v polohách α a β (první a druhý atom). V důsledku toho se tvoří enoyl-CoA. Reakčním enzymem je acyl-CoA dehydrogenáza, která působí v kombinaci s koenzymem FAD (ten je redukován na FADH2).
- Hydrace je přidání molekuly vody k enoyl-CoA, což vede k tvorbě L-β-hydroxyacyl-CoA. Provádí se enoyl-CoA-hydratázou.
- Dehydrogenace - oxidace produktu předchozí reakce NAD-dependentní dehydrogenázou za vzniku β-ketoacyl-koenzymu A. V tomto případě je NAD redukován na NADH.
- Štěpení β-ketoacyl-CoA na acetyl-CoA a 2-uhlíkový zkrácený acyl-CoA. Reakce se provádí za působení thiolasy. Předpokladem je přítomnost bezplatného HS-CoA.
Pak vše začíná znovu první reakcí.
Cyklické opakování všech stupňů se provádí, dokud se celý uhlíkový řetězec mastné kyseliny nepřemění na molekuly acetyl-koenzymu A.
Tvorba acetyl-CoA a ATP na příkladu oxidace palmitoyl-CoA
Na konci každého cyklu se tvoří molekuly acyl-CoA, NADH a FADH2 v jediném množství a acyl-CoA-thioetherový řetězec se zkrátí o dva atomy. Přenosem elektronů do elektrotransportního řetězce poskytuje FADH2 jednu a půl molekuly ATP a NADH dvě. Výsledkem je, že z jednoho cyklu se získají 4 molekuly ATP, nepočítaje energetický výtěžek acetyl-CoA.
Řetězec kyseliny palmitové má 16 atomů uhlíku. To znamená, že ve fázi oxidace by mělo být provedeno 7 cyklů s tvorbou osmi acetyl-CoA a energetický výtěžek z NADH a FADH2 v tomto případě bude 28 molekul ATP. (4×7). Oxidací acetyl-CoA také vzniká energie, která se ukládá v důsledku toho, že produkty Krebsova cyklu vstupují do elektrického transportního řetězce.
Celkový výtěžek oxidačních kroků a Krebsova cyklu
V důsledku oxidace acetyl-CoA se získá 10 molekul ATP. Protože katabolismus palmitoyl-CoA poskytuje 8 acetyl-CoA, energetický výtěžek bude 80 ATP (10×8). Pokud toto přidáte k výsledku oxidace NADH a FADH2, dostanete 108 molekul (80+28). Od tohoto množství by se měly odečíst 2 ATP, které vedly k aktivaci mastné kyseliny.
Konečná rovnice pro oxidaci kyseliny palmitové bude: palmitoyl-CoA + 16 O2 + 108 Pi + 80 ADP=CoA + 108 ATP + 16 CO2 + 16 H2O.
Výpočet uvolňování energie
Výfuk energiena katabolismu konkrétní mastné kyseliny závisí na počtu uhlíkových jednotek v jejím řetězci. Počet molekul ATP se vypočítá podle vzorce:
[4(n/2 - 1) + n/2×10] - 2, kde 4 je množství ATP generovaného během každého cyklu v důsledku NADH a FADH2, (n/2 - 1) je počet cyklů, n/2×10 je energetický výtěžek z oxidace acetyl- CoA a 2 jsou náklady na aktivaci.
Vlastnosti reakcí
Oxidace nenasycených mastných kyselin má některé zvláštnosti. Obtížnost oxidace řetězců s dvojnými vazbami tedy spočívá ve skutečnosti, že posledně jmenované nemohou být vystaveny enoyl-CoA-hydratáze kvůli skutečnosti, že jsou v cis poloze. Tento problém odstraňuje enoyl-CoA izomeráza, díky které vazba získává trans konfiguraci. Díky tomu se molekula stává zcela identickou s produktem prvního stupně beta-oxidace a může podléhat hydrataci. Místa obsahující pouze jednoduché vazby oxidují stejným způsobem jako nasycené kyseliny.
Enoyl-CoA-izomeráza někdy nestačí k pokračování procesu. To platí pro řetězce, ve kterých je přítomna konfigurace cis9-cis12 (dvojné vazby na 9. a 12. atomu uhlíku). Zde je překážkou nejen konfigurace, ale i pozice dvojných vazeb v řetězci. Ten je korigován enzymem 2,4-dienoyl-CoA reduktázou.
Katabolismus lichých mastných kyselin
Tento typ kyseliny je typický pro většinu lipidů přírodního (přírodního) původu. To vytváří určitou složitost, protože každý cyklusznamená zkrácení o sudý počet odkazů. Z tohoto důvodu pokračuje cyklická oxidace vyšších mastných kyselin této skupiny, dokud se neobjeví 5-uhlíková sloučenina jako produkt, který se štěpí na acetyl-CoA a propionyl-koenzym A. Obě sloučeniny vstupují do dalšího cyklu tří reakcí, v důsledku čehož se tvoří sukcinyl-CoA. Je to on, kdo vstupuje do Krebsova cyklu.
Vlastnosti oxidace v peroxisomech
V peroxisomech probíhá oxidace mastných kyselin prostřednictvím beta mechanismu, který je podobný, ale ne identický, jako mitochondriální. Skládá se také ze 4 fází, které vyvrcholí tvorbou produktu ve formě acetyl-CoA, ale má několik klíčových rozdílů. Odštěpený vodík v dehydrogenačním stupni tedy neobnovuje FAD, ale přechází na kyslík za vzniku peroxidu vodíku. Ten okamžitě podléhá štěpení působením katalázy. Výsledkem je, že energie, která mohla být použita k syntéze ATP v dýchacím řetězci, se rozptýlí jako teplo.
Druhým důležitým rozdílem je, že některé peroxizomové enzymy jsou specifické pro určité méně zastoupené mastné kyseliny a nejsou přítomny v mitochondriální matrici.
Vlastností peroxisomů jaterních buněk je, že neexistuje žádný enzymatický aparát Krebsova cyklu. V důsledku beta-oxidace proto vznikají produkty s krátkým řetězcem, které jsou transportovány do mitochondrií k oxidaci.
