Η κύρια προϋπόθεση για τη ζωή κάθε οργανισμού είναι η συνεχής παροχή ενέργειας, η οποία δαπανάται σε διάφορες κυτταρικές διεργασίες. Ταυτόχρονα, ένα ορισμένο μέρος των θρεπτικών ενώσεων δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί αμέσως, αλλά μπορεί να μετατραπεί σε αποθέματα. Ο ρόλος μιας τέτοιας δεξαμενής εκτελείται από λίπη (λιπίδια), που αποτελούνται από γλυκερίνη και λιπαρά οξέα. Τα τελευταία χρησιμοποιούνται από την κυψέλη ως καύσιμο. Σε αυτή την περίπτωση, τα λιπαρά οξέα οξειδώνονται σε CO2 και H2O.
Βασικά λιπαρά οξέα
Τα λιπαρά οξέα είναι αλυσίδες άνθρακα διαφόρων μηκών (από 4 έως 36 άτομα), οι οποίες ταξινομούνται χημικά ως καρβοξυλικά οξέα. Αυτές οι αλυσίδες μπορεί να είναι είτε διακλαδισμένες είτε μη διακλαδισμένες και περιέχουν διαφορετικούς αριθμούς διπλών δεσμών. Εάν τα τελευταία απουσιάζουν εντελώς, τα λιπαρά οξέα ονομάζονται κορεσμένα (τυπικά για πολλά λιπίδια ζωικής προέλευσης) και διαφορετικά -ακόρεστα. Σύμφωνα με τη διάταξη των διπλών δεσμών, τα λιπαρά οξέα χωρίζονται σε μονοακόρεστα και πολυακόρεστα.
Οι περισσότερες αλυσίδες περιέχουν ζυγό αριθμό ατόμων άνθρακα, κάτι που οφείλεται στην ιδιαιτερότητα της σύνθεσής τους. Ωστόσο, υπάρχουν συνδέσεις με περιττό αριθμό συνδέσμων. Η οξείδωση αυτών των δύο τύπων ενώσεων είναι ελαφρώς διαφορετική.
Γενικά χαρακτηριστικά
Η διαδικασία της οξείδωσης των λιπαρών οξέων είναι πολύπλοκη και πολλαπλών σταδίων. Αρχίζει με τη διείσδυσή τους στο κύτταρο και καταλήγει στην αναπνευστική αλυσίδα. Ταυτόχρονα, τα τελικά στάδια επαναλαμβάνουν ουσιαστικά τον καταβολισμό των υδατανθράκων (ο κύκλος του Krebs, η μετατροπή της ενέργειας της διαμεμβρανικής βαθμίδας σε μακροεργικό δεσμό). Τα τελικά προϊόντα της διαδικασίας είναι ATP, CO2 και νερό.
Η οξείδωση των λιπαρών οξέων σε ένα ευκαρυωτικό κύτταρο πραγματοποιείται στα μιτοχόνδρια (η πιο χαρακτηριστική θέση εντοπισμού), στα υπεροξισώματα ή στο ενδοπλασματικό δίκτυο.
Ποικιλίες (τύποι) οξείδωσης
Υπάρχουν τρεις τύποι οξείδωσης λιπαρών οξέων: α, β και ω. Τις περισσότερες φορές, αυτή η διαδικασία προχωρά από τον β-μηχανισμό και εντοπίζεται στα μιτοχόνδρια. Η οδός των ωμέγα είναι μια δευτερεύουσα εναλλακτική του β-μηχανισμού και πραγματοποιείται στο ενδοπλασματικό δίκτυο, ενώ ο μηχανισμός άλφα είναι χαρακτηριστικός μόνο ενός τύπου λιπαρών οξέων (φυτανικό).
Βιοχημεία της οξείδωσης λιπαρών οξέων στα μιτοχόνδρια
Για λόγους ευκολίας, η διαδικασία του μιτοχονδριακού καταβολισμού χωρίζεται συμβατικά σε 3 στάδια:
- ενεργοποίηση και μεταφορά στα μιτοχόνδρια;
- οξείδωση;
- οξείδωση του σχηματιζόμενου ακετυλο-συνενζύμου Α μέσω του κύκλου Krebs και της αλυσίδας ηλεκτρικής μεταφοράς.
Η ενεργοποίηση είναι μια προπαρασκευαστική διαδικασία που μετατρέπει τα λιπαρά οξέα σε μια μορφή διαθέσιμη για βιοχημικούς μετασχηματισμούς, καθώς αυτά τα μόρια είναι αδρανή. Επιπλέον, χωρίς ενεργοποίηση, δεν μπορούν να διεισδύσουν στις μιτοχονδριακές μεμβράνες. Αυτό το στάδιο λαμβάνει χώρα στην εξωτερική μεμβράνη των μιτοχονδρίων.
Στην πραγματικότητα, η οξείδωση είναι ένα βασικό βήμα στη διαδικασία. Περιλαμβάνει τέσσερα στάδια, μετά τα οποία το λιπαρό οξύ μετατρέπεται σε μόρια Acetyl-CoA. Το ίδιο προϊόν σχηματίζεται κατά τη χρήση των υδατανθράκων, έτσι ώστε τα επόμενα στάδια να είναι παρόμοια με τα τελευταία στάδια της αερόβιας γλυκόλυσης. Ο σχηματισμός του ATP συμβαίνει στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων, όπου η ενέργεια του ηλεκτροχημικού δυναμικού χρησιμοποιείται για να σχηματιστεί ένας μακροεργικός δεσμός.
Στη διαδικασία της οξείδωσης των λιπαρών οξέων, εκτός από το Acetyl-CoA, σχηματίζονται επίσης μόρια NADH και FADH2, τα οποία επίσης εισέρχονται στην αναπνευστική αλυσίδα ως δότες ηλεκτρονίων. Ως αποτέλεσμα, η συνολική ενεργειακή παραγωγή του λιπιδικού καταβολισμού είναι αρκετά υψηλή. Έτσι, για παράδειγμα, η οξείδωση του παλμιτικού οξέος από τον β-μηχανισμό δίνει 106 μόρια ATP.
Ενεργοποίηση και μεταφορά στη μιτοχονδριακή μήτρα
Τα λιπαρά οξέα από μόνα τους είναι αδρανή και δεν μπορούν να οξειδωθούν. Η ενεργοποίηση τους φέρνει σε μια μορφή διαθέσιμη για βιοχημικούς μετασχηματισμούς. Επιπλέον, αυτά τα μόρια δεν μπορούν να εισέλθουν στα μιτοχόνδρια αμετάβλητα.
Η ουσία της ενεργοποίησης είναιτη μετατροπή ενός λιπαρού οξέος στον ακυλο-CoA-θειοεστέρα του, ο οποίος στη συνέχεια υφίσταται οξείδωση. Αυτή η διαδικασία πραγματοποιείται από ειδικά ένζυμα - θειοκινάσες (Acyl-CoA συνθετάσες) που συνδέονται με την εξωτερική μεμβράνη των μιτοχονδρίων. Η αντίδραση προχωρά σε 2 στάδια, που σχετίζονται με τη δαπάνη ενέργειας δύο ΑΤΡ.
Απαιτούνται τρία στοιχεία για την ενεργοποίηση:
- ATF;
- HS-CoA;
- Mg2+.
Πρώτον, το λιπαρό οξύ αντιδρά με το ATP για να σχηματίσει ακυλαδενυλικό (ένα ενδιάμεσο). Αυτό, με τη σειρά του, αντιδρά με το HS-CoA, η ομάδα θειόλης του οποίου εκτοπίζει το AMP, σχηματίζοντας έναν δεσμό θειοαιθέρα με την καρβοξυλική ομάδα. Ως αποτέλεσμα, σχηματίζεται η ουσία acyl-CoA - ένα παράγωγο λιπαρού οξέος, το οποίο μεταφέρεται στα μιτοχόνδρια.
Μεταφορά στα μιτοχόνδρια
Αυτό το βήμα ονομάζεται μετεστεροποίηση με καρνιτίνη. Η μεταφορά του ακυλο-CoA στη μιτοχονδριακή μήτρα πραγματοποιείται μέσω των πόρων με τη συμμετοχή της καρνιτίνης και ειδικών ενζύμων - ακυλοτρανσφερασών καρνιτίνης.
Για μεταφορά μέσω των μεμβρανών, το CoA αντικαθίσταται από καρνιτίνη για να σχηματίσει ακυλο-καρνιτίνη. Αυτή η ουσία μεταφέρεται στη μήτρα με διευκολυνόμενη διάχυση ακυλο-καρνιτίνης/μεταφορέα καρνιτίνης.
Μέσα στα μιτοχόνδρια λαμβάνει χώρα μια αντίστροφη αντίδραση, που συνίσταται στην αποκόλληση του αμφιβληστροειδούς, ο οποίος εισέρχεται ξανά στις μεμβράνες, και στην αποκατάσταση του ακυλ-CoA (στην περίπτωση αυτή χρησιμοποιείται το "τοπικό" συνένζυμο Α και όχι αυτή με την οποία σχηματίστηκε ο δεσμόςστο στάδιο ενεργοποίησης).
Κύριες αντιδράσεις οξείδωσης λιπαρών οξέων με β-μηχανισμό
Ο απλούστερος τύπος ενεργειακής χρησιμοποίησης των λιπαρών οξέων είναι η β-οξείδωση των αλυσίδων που δεν έχουν διπλούς δεσμούς, στους οποίους ο αριθμός των μονάδων άνθρακα είναι άρτιος. Το υπόστρωμα για αυτή τη διαδικασία, όπως σημειώθηκε παραπάνω, είναι το ακυλοσυνένζυμο Α.
Η διαδικασία της β-οξείδωσης των λιπαρών οξέων αποτελείται από 4 αντιδράσεις:
- Αφυδρογόνωση είναι η διάσπαση του υδρογόνου από ένα άτομο β-άνθρακα με το σχηματισμό διπλού δεσμού μεταξύ των αλυσίδων που βρίσκονται στις θέσεις α και β (πρώτο και δεύτερο άτομο). Ως αποτέλεσμα, σχηματίζεται enoyl-CoA. Το ένζυμο αντίδρασης είναι η ακυλο-CoA αφυδρογονάση, η οποία δρα σε συνδυασμό με το συνένζυμο FAD (το τελευταίο ανάγεται σε FADH2).
- Ενυδάτωση είναι η προσθήκη ενός μορίου νερού στο enoyl-CoA, με αποτέλεσμα το σχηματισμό L-β-hydroxyacyl-CoA. Εκτελείται από ενοϋλο-CoA-υδρατάση.
- Αφυδρογόνωση - οξείδωση του προϊόντος της προηγούμενης αντίδρασης από NAD-εξαρτώμενη αφυδρογονάση με σχηματισμό του β-κετοακυλο-συνενζύμου Α. Στην περίπτωση αυτή, το NAD ανάγεται σε NADH.
- Διάσπαση του β-κετοακυλο-CoA σε ακετυλο-CoA και ακυλο-CoA βραχυμένο με 2 άνθρακα. Η αντίδραση διεξάγεται υπό τη δράση θειολάσης. Απαραίτητη προϋπόθεση είναι η παρουσία δωρεάν HS-CoA.
Τότε όλα ξεκινούν ξανά με την πρώτη αντίδραση.
Η κυκλική επανάληψη όλων των σταδίων πραγματοποιείται έως ότου ολόκληρη η ανθρακική αλυσίδα του λιπαρού οξέος μετατραπεί σε μόρια του ακετυλο-συνενζύμου Α.
Σχηματισμός ακετυλο-CoA και ATP στο παράδειγμα οξείδωσης παλμιτοϋλ-CoA
Στο τέλος κάθε κύκλου, τα μόρια ακυλ-CoA, NADH και FADH2 σχηματίζονται σε μία μόνο ποσότητα και η αλυσίδα ακυλ-CoA-θειοαιθέρα γίνεται μικρότερη κατά δύο άτομα. Με τη μεταφορά ηλεκτρονίων στην αλυσίδα ηλεκτρομεταφοράς, το FADH2 δίνει ενάμισι μόρια ATP και το NADH δύο. Ως αποτέλεσμα, λαμβάνονται 4 μόρια ATP από έναν κύκλο, χωρίς να υπολογίζεται η ενεργειακή απόδοση του ακετυλο-CoA.
Η αλυσίδα του παλμιτικού οξέος έχει 16 άτομα άνθρακα. Αυτό σημαίνει ότι στο στάδιο της οξείδωσης θα πρέπει να πραγματοποιηθούν 7 κύκλοι με το σχηματισμό οκτώ ακετυλο-CoA και η ενεργειακή απόδοση από NADH και FADH2 σε αυτή την περίπτωση θα είναι 28 μόρια ATP (4×7). Η οξείδωση του ακετυλο-CoA οδηγεί επίσης στο σχηματισμό ενέργειας, η οποία αποθηκεύεται ως αποτέλεσμα της εισόδου των προϊόντων του κύκλου του Krebs στην αλυσίδα ηλεκτρικής μεταφοράς.
Συνολική απόδοση σταδίων οξείδωσης και κύκλου Krebs
Ως αποτέλεσμα της οξείδωσης του ακετυλο-CoA, λαμβάνονται 10 μόρια ATP. Εφόσον ο καταβολισμός του παλμιτοϋλ-CoA αποδίδει 8 ακετυλο-CoA, η ενεργειακή απόδοση θα είναι 80 ATP (10×8). Εάν το προσθέσετε στο αποτέλεσμα της οξείδωσης του NADH και του FADH2, θα λάβετε 108 μόρια (80+28). Από αυτή την ποσότητα, θα πρέπει να αφαιρεθούν 2 ATP, τα οποία πήγαν για να ενεργοποιήσουν το λιπαρό οξύ.
Η τελική εξίσωση για την οξείδωση του παλμιτικού οξέος θα είναι: παλμιτοϋλ-CoA + 16 O2 + 108 Pi + 80 ADP=CoA + 108 ATP + 16 CO2 + 16 H2O.
Υπολογισμός της απελευθέρωσης ενέργειας
Ενεργειακή εξάτμισηγια τον καταβολισμό ενός συγκεκριμένου λιπαρού οξέος εξαρτάται από τον αριθμό των μονάδων άνθρακα στην αλυσίδα του. Ο αριθμός των μορίων ATP υπολογίζεται με τον τύπο:
[4(n/2 - 1) + n/2×10] - 2, όπου 4 είναι η ποσότητα του ATP που παράγεται κατά τη διάρκεια κάθε κύκλου λόγω NADH και FADH2, (n/2 - 1) είναι ο αριθμός των κύκλων, n/2×10 είναι η ενεργειακή απόδοση από την οξείδωση του ακετυλ- CoA και 2 είναι το κόστος ενεργοποίησης.
Χαρακτηριστικά αντιδράσεων
Η οξείδωση των ακόρεστων λιπαρών οξέων έχει κάποιες ιδιαιτερότητες. Έτσι, η δυσκολία των οξειδωτικών αλυσίδων με διπλούς δεσμούς έγκειται στο γεγονός ότι οι τελευταίες δεν μπορούν να εκτεθούν στην ενοϋλο-CoA-υδρατάση λόγω του γεγονότος ότι βρίσκονται στη θέση cis. Αυτό το πρόβλημα εξαλείφεται από την ισομεράση ενόυλ-CoA, λόγω της οποίας ο δεσμός αποκτά μια trans διαμόρφωση. Ως αποτέλεσμα, το μόριο γίνεται εντελώς πανομοιότυπο με το προϊόν του πρώτου σταδίου βήτα-οξείδωσης και μπορεί να ενυδατωθεί. Τοποθεσίες που περιέχουν μόνο απλούς δεσμούς οξειδώνονται με τον ίδιο τρόπο όπως τα κορεσμένα οξέα.
Μερικές φορές η ενοϋλο-CoA-ισομεράση δεν είναι αρκετή για να συνεχιστεί η διαδικασία. Αυτό ισχύει για αλυσίδες στις οποίες υπάρχει η διαμόρφωση cis9-cis12 (διπλοί δεσμοί στο 9ο και 12ο άτομο άνθρακα). Εδώ, δεν εμποδίζει μόνο η διαμόρφωση, αλλά και η θέση των διπλών δεσμών στην αλυσίδα. Το τελευταίο διορθώνεται από το ένζυμο 2,4-διενοϋλ-CoA αναγωγάση.
Καταβολισμός περιττών λιπαρών οξέων
Αυτός ο τύπος οξέος είναι χαρακτηριστικός για τα περισσότερα λιπίδια φυσικής (φυσικής) προέλευσης. Αυτό δημιουργεί μια ορισμένη πολυπλοκότητα, αφού κάθε κύκλοςσυνεπάγεται συντόμευση κατά ζυγό αριθμό συνδέσμων. Για το λόγο αυτό, η κυκλική οξείδωση των ανώτερων λιπαρών οξέων αυτής της ομάδας συνεχίζεται έως ότου εμφανιστεί ως προϊόν μια ένωση 5 άνθρακα, η οποία διασπάται σε ακετυλο-CoA και προπιονυλο-συνένζυμο Α. Και οι δύο ενώσεις εισέρχονται σε έναν άλλο κύκλο τριών αντιδράσεων, ως αποτέλεσμα του οποίου σχηματίζεται succinyl-CoA. Είναι αυτός που μπαίνει στον κύκλο του Krebs.
Χαρακτηριστικά της οξείδωσης στα υπεροξισώματα
Στα υπεροξισώματα, η οξείδωση των λιπαρών οξέων λαμβάνει χώρα μέσω ενός βήτα μηχανισμού που είναι παρόμοιος, αλλά όχι πανομοιότυπος, με τον μιτοχονδριακό. Αποτελείται επίσης από 4 στάδια, με αποκορύφωμα τον σχηματισμό του προϊόντος με τη μορφή ακετυλο-CoA, αλλά έχει αρκετές βασικές διαφορές. Έτσι, η διάσπαση του υδρογόνου στο στάδιο της αφυδρογόνωσης δεν αποκαθιστά το FAD, αλλά περνά στο οξυγόνο με το σχηματισμό υπεροξειδίου του υδρογόνου. Το τελευταίο υφίσταται αμέσως διάσπαση υπό τη δράση της καταλάσης. Ως αποτέλεσμα, η ενέργεια που θα μπορούσε να είχε χρησιμοποιηθεί για τη σύνθεση ATP στην αναπνευστική αλυσίδα διαχέεται ως θερμότητα.
Η δεύτερη σημαντική διαφορά είναι ότι ορισμένα ένζυμα υπεροξισώματος είναι ειδικά για ορισμένα λιγότερο άφθονα λιπαρά οξέα και δεν υπάρχουν στη μιτοχονδριακή μήτρα.
Χαρακτηριστικό των υπεροξισωμάτων των ηπατικών κυττάρων είναι ότι δεν υπάρχει ενζυματική συσκευή του κύκλου Krebs. Επομένως, ως αποτέλεσμα της βήτα-οξείδωσης, σχηματίζονται προϊόντα βραχείας αλυσίδας, τα οποία μεταφέρονται στα μιτοχόνδρια για οξείδωση.
