UTLENIANIE BETA KWASÓW TŁUSZCZOWYCH: ETAPY, REAKCJE, PRODUKTY, REGULACJA - BIOLOGIA - 2025

Beta-utleniania kwasów tłuszczowych, jest szlak katabolizmie (degradacji) kwasów tłuszczowych, których główną funkcją jest wytwarzanie lub „uwalnianie” energia zawarta w wiązań tych cząsteczek.

Droga ta została odkryta w 1904 r. Dzięki eksperymentom przeprowadzonym przez Niemca Franza Knoopa, polegających na podawaniu eksperymentalnym szczurom kwasów tłuszczowych, których końcowa grupa metylowa została zmodyfikowana grupą fenylową.

Schemat beta-utleniania kwasów tłuszczowych (źródło: Arturo González Laguna via Wikimedia Commons)

Knoop spodziewał się, że produkty katabolizmu tych „analogowych” kwasów tłuszczowych będą podążać ścieżkami podobnymi do szlaku utleniania normalnych (niezmodyfikowanych naturalnych) kwasów tłuszczowych. Jednak stwierdził, że istnieją różnice w otrzymanych produktach w zależności od liczby atomów węgla w kwasach tłuszczowych.

Na podstawie tych wyników Knoop zaproponował, że degradacja zachodziła w „etapach”, zaczynając od „ataku” na węgiel β (ten w pozycji 3 w stosunku do końcowej grupy karboksylowej), uwalniając fragmenty dwóch atomów węgla.

Później wykazano, że proces ten wymaga energii w postaci ATP, który jest wytwarzany w mitochondriach i że fragmenty dwóch atomów węgla wchodzą do cyklu Krebsa jako acetylo-CoA.

Krótko mówiąc, beta-oksydacja kwasów tłuszczowych obejmuje aktywację końcowej grupy karboksylowej, transport aktywowanego kwasu tłuszczowego do macierzy mitochondrialnej i „stopniowe” utlenianie dwu-na-dwa węgiel z grupy karboksylowej.

Podobnie jak wiele procesów anabolicznych i katabolicznych, droga ta jest regulowana, ponieważ zasługuje na mobilizację „rezerwowych” kwasów tłuszczowych, gdy inne drogi kataboliczne nie są wystarczające do zaspokojenia zapotrzebowania komórek i organizmu na energię.

Kroki i reakcje

Kwasy tłuszczowe znajdują się głównie w cytozolu, niezależnie od tego, czy pochodzą ze szlaków biosyntetycznych, czy ze złogów tłuszczu przechowywanych w spożytym pożywieniu (który musi dostać się do komórek).

- Aktywacja kwasów tłuszczowych i transport do mitochondriów

Aktywacja kwasów tłuszczowych wymaga użycia cząsteczki ATP i ma związek z tworzeniem koniugatów acylotioestru z koenzymem A.

Ta aktywacja jest katalizowana przez grupę enzymów zwanych ligazami acetylo-CoA, specyficznymi dla długości łańcucha każdego kwasu tłuszczowego. Niektóre z tych enzymów aktywują kwasy tłuszczowe, gdy są transportowane do macierzy mitochondrialnej, ponieważ są osadzone w zewnętrznej błonie mitochondrialnej.

Aktywacja kwasów tłuszczowych (źródło: Jag123 z angielskiej Wikipedii za pośrednictwem Wikimedia Commons)

Proces aktywacji przebiega dwuetapowo, najpierw wytwarza się acyloadenylan z aktywowanego kwasu tłuszczowego z ATP, gdzie uwalnia się cząsteczka pirofosforanu (PPi). Grupa karboksylowa aktywowana przez ATP jest następnie atakowana przez grupę tiolową koenzymu A, tworząc acylo-CoA.

Przemieszczanie acylo-CoA przez błonę mitochondrialną odbywa się za pomocą systemu transportowego znanego jako promień karnityny.

- Utlenianie beta nasyconych kwasów tłuszczowych z parzystą liczbą atomów węgla

Degradacja kwasów tłuszczowych ma charakter cykliczny, ponieważ po uwolnieniu każdego fragmentu dwóch atomów węgla natychmiast następuje kolejny, aż do osiągnięcia pełnej długości cząsteczki. Reakcje, które biorą udział w tym procesie, są następujące:

- Odwodnienie.

- Nawilżenie podwójnego wiązania.

- Odwodnienie grupy hydroksylowej.

- Fragmentacja przez atak cząsteczki acetylo-CoA na węgiel β.

Reakcja 1: pierwsze odwodornienie

Polega na tworzeniu podwójnego wiązania między węglem α a węglem β poprzez eliminację dwóch atomów wodoru. Jest katalizowany przez enzym dehydrogenazę acylo-CoA, który tworzy cząsteczkę trans∆2-enoilo-S-CoA i cząsteczkę FAD + (kofaktor).

Reakcje 2 i 3: uwodnienie i odwodornienie

Uwodornianie jest katalizowane przez hydratazę enoilo-CoA, podczas gdy odwodornienie odbywa się za pośrednictwem dehydrogenazy 3-hydroksyacylo-CoA, a ta ostatnia reakcja zależy od kofaktora NAD +.

Uwodnienie trans∆2-enoilo-S-CoA powoduje powstanie 3-hydroksyacylo-CoA, którego odwodornienie wytwarza cząsteczkę 3-ketoacylo-CoA i NADH + H.

FADH2 i NADH powstałe w pierwszych trzech reakcjach beta-oksydacji są ponownie utleniane przez łańcuch transportu elektronów, dzięki czemu uczestniczą w produkcji ATP, po 2 cząsteczki na każdy FADH2 i 3 na każdy NADH.

Reakcja 4: fragmentacja

Każdy cykl beta-utleniania, który usuwa cząsteczkę z dwoma atomami węgla, kończy się „tiolitycznym” rozszczepieniem keto-węgla, który jest atakowany przez koenzym A w miejscu wiązania między atomami węgla α i β.

Reakcja ta jest katalizowana przez enzym β-ketotiolazę lub tiolazę, a jej produktami są jedna cząsteczka acylo-CoA (aktywowanego kwasu tłuszczowego o dwóch mniej atomach węgla) i jedna z acetylo-CoA.

- Utlenianie beta nasyconych kwasów tłuszczowych z nieparzystą liczbą atomów węgla

W kwasach tłuszczowych o nieparzystej liczbie atomów węgla (które nie są zbyt liczne) cząsteczka ostatniego cyklu degradacji ma 5 atomów węgla, więc w wyniku jej fragmentacji powstaje cząsteczka acetylo-CoA (która wchodzi w cykl Krebs) i inny z propionylo-CoA.

Propionylo-CoA musi być karboksylowane (reakcja zależna od ATP i wodorowęglanu) przez enzym karboksylazę propionylo-CoA, tworząc w ten sposób związek znany jako D-metylomalonylo-CoA, który należy epimeryzować do postaci „L”.

Utlenianie beta nieparzystych kwasów tłuszczowych (źródło: Eleska via Wikimedia Commons)

Związek powstały w wyniku epimeryzacji jest następnie przekształcany w sukcynylo-CoA pod działaniem enzymu mutazy L-metylomalonylo-CoA i ta cząsteczka, podobnie jak acetylo-CoA, wchodzi w cykl kwasu cytrynowego.

- Utlenianie beta nienasyconych kwasów tłuszczowych

Wiele lipidów komórkowych ma łańcuchy nienasyconych kwasów tłuszczowych, to znaczy mają jedno lub więcej wiązań podwójnych między atomami węgla.

Utlenianie tych kwasów tłuszczowych różni się nieco od utleniania nasyconych kwasów tłuszczowych, ponieważ dwa dodatkowe enzymy, izomeraza enoilo-CoA i reduktaza 2,4-dienoilo-CoA, są odpowiedzialne za eliminację tych nienasyconych kwasów tłuszczowych może być substratem dla enzymu hydratazy enoilo-CoA.

Utlenianie beta nienasyconych kwasów tłuszczowych (źródło: Hajime7basketball via Wikimedia Commons)

Izomeraza enoilo-CoA działa na jednonienasycone kwasy tłuszczowe (tylko z jednym nienasyceniem), podczas gdy enzym reduktaza 2,4-dienoilo-CoA reaguje z wielonienasyconymi kwasami tłuszczowymi (z dwoma lub więcej nienasyceniami).

- Utlenianie pozamitochondrialne beta

Utlenianie beta kwasów tłuszczowych może również zachodzić wewnątrz innych organelli cytozolowych, takich jak na przykład peroksysomy, z tą różnicą, że elektrony przenoszone do FAD + nie są dostarczane do łańcucha oddechowego, ale bezpośrednio do tlenu.

W wyniku tej reakcji powstaje nadtlenek wodoru (redukcja tlenu), związek, który jest eliminowany przez enzym katalazy, specyficzny dla tych organelli.

Produkty utleniania beta

Utlenianie kwasów tłuszczowych wytwarza znacznie więcej energii niż rozkład węglowodanów. Głównym produktem utleniania beta jest acetylo-CoA wytwarzany na każdym etapie cyklicznej części ścieżki, jednak inne produkty to:

- AMP, H + i pirofosforan (PPi), powstające podczas aktywacji.

- FADH2 i NADH, dla każdego wyprodukowanego acetylo-CoA.

- Sukcynylo-CoA, ADP, Pi, dla kwasów tłuszczowych o nieparzystych łańcuchach.

Utlenianie beta kwasu palmitynowego (źródło: ´Rojinbkht via Wikimedia Commons)

Jeśli weźmiemy pod uwagę jako przykład całkowite beta-oksydację kwasu palmitynowego (palmitynianu), kwasu tłuszczowego o 16 atomach węgla, ilość wytworzonej energii jest równoważna mniej więcej 129 cząsteczkom ATP, które pochodzą z 7 zwojów, które musi wykonać. cykl.

Rozporządzenie

Regulacja beta-oksydacji kwasów tłuszczowych w większości komórek zależy od dostępności energii, nie tylko związanej z węglowodanami, ale także z samymi kwasami tłuszczowymi.

Zwierzęta kontrolują mobilizację, a tym samym rozkład tłuszczów poprzez bodźce hormonalne, które jednocześnie są kontrolowane przez cząsteczki, takie jak np. CAMP.

W wątrobie, głównym narządzie rozkładającym tłuszcz, stężenie malonylo-CoA jest niezwykle ważne dla regulacji beta-oksydacji; jest to pierwszy substrat biorący udział w szlaku biosyntezy kwasów tłuszczowych.

Kiedy malonylo-CoA gromadzi się w dużych ilościach, sprzyja biosyntezie kwasów tłuszczowych i hamuje transporter mitochondrialny lub transfer acylokarnityny. Kiedy jego stężenie spada, hamowanie ustaje i aktywowane jest utlenianie beta.

Bibliografia

1. Mathews, C., van Holde, K. i Ahern, K. (2000). Biochemistry (3rd ed.). San Francisco, Kalifornia: Pearson.
2. Nelson, DL i Cox, MM (2009). Zasady Lehningera biochemii. Omega Editions (wyd. 5).
3. Rawn, JD (1998). Biochemia. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson Publishers.
4. Schulz, H. (1991). Beta-utlenianie kwasów tłuszczowych. Biochimica et Biophysica Acta, 1081, 109–120.
5. Schulz, H. (1994). Regulacja utleniania kwasów tłuszczowych w sercu. Critical Review, 165–171.
6. Schulz, H. i Kunau, W. (1987). Beta-oksydacja nienasyconych kwasów tłuszczowych: zmieniona ścieżka. TIBS, 403-406.