Основното условие за живота на всеки организъм е непрекъснатото снабдяване с енергия, която се изразходва за различни клетъчни процеси. В същото време определена част от хранителните съединения не могат да бъдат използвани веднага, а могат да бъдат превърнати в резерви. Ролята на такъв резервоар се изпълнява от мазнини (липиди), състоящи се от глицерол и мастни киселини. Последните се използват от клетката като гориво. В този случай мастните киселини се окисляват до CO2 и H2O.
Основи на мастни киселини
Мастните киселини са въглеродни вериги с различни дължини (от 4 до 36 атома), които са химически класифицирани като карбоксилни киселини. Тези вериги могат да бъдат разклонени или неразклонени и да съдържат различен брой двойни връзки. Ако последните напълно липсват, мастните киселини се наричат наситени (типични за много липиди от животински произход), а в противен случай -ненаситени. Според подредбата на двойните връзки мастните киселини се делят на мононенаситени и полиненаситени.
Повечето вериги съдържат четен брой въглеродни атоми, което се дължи на особеността на техния синтез. Има обаче връзки с нечетен брой връзки. Окислението на тези два вида съединения е малко по-различно.
Общи характеристики
Процесът на окисляване на мастни киселини е сложен и многоетапен. Започва с проникването им в клетката и завършва в дихателната верига. В същото време крайните етапи всъщност повтарят катаболизма на въглехидратите (цикълът на Кребс, трансформирането на енергията на трансмембранния градиент в макроергична връзка). Крайните продукти на процеса са ATP, CO2 и вода.
Окислението на мастни киселини в еукариотна клетка се извършва в митохондриите (най-характерното място на локализация), пероксизоми или ендоплазмен ретикулум.
Разновидности (видове) на окисление
Има три вида окисление на мастни киселини: α, β и ω. Най-често този процес протича по β-механизма и се локализира в митохондриите. Омега пътят е незначителна алтернатива на β-механизма и се осъществява в ендоплазмения ретикулум, докато алфа механизмът е характерен само за един вид мастна киселина (фитанова).
Биохимия на окисляването на мастни киселини в митохондриите
За удобство процесът на митохондриален катаболизъм е условно разделен на 3 етапа:
- активиране и транспортиране до митохондриите;
- окисление;
- окисление на образувания ацетил-коензим А през цикъла на Кребс и електрическата транспортна верига.
Активирането е подготвителен процес, който трансформира мастните киселини във форма, достъпна за биохимични трансформации, тъй като самите тези молекули са инертни. Освен това, без активиране, те не могат да проникнат в митохондриалните мембрани. Този етап се извършва във външната мембрана на митохондриите.
Всъщност окисляването е ключова стъпка в процеса. Той включва четири етапа, след които мастната киселина се превръща в молекули ацетил-КоА. Същият продукт се образува по време на усвояването на въглехидратите, така че следващите стъпки са подобни на последните етапи на аеробна гликолиза. Образуването на АТФ се случва във веригата за транспортиране на електрони, където енергията на електрохимичния потенциал се използва за образуване на макроергична връзка.
В процеса на окисление на мастни киселини освен ацетил-КоА се образуват и молекули NADH и FADH2, които също влизат в дихателната верига като донори на електрони. В резултат на това общата енергийна продукция на липидния катаболизъм е доста висока. Така например, окисляването на палмитинова киселина чрез β-механизма дава 106 АТФ молекули.
Активиране и трансфер към митохондриалната матрица
Самите мастни киселини са инертни и не могат да бъдат окислени. Активирането ги привежда във форма, достъпна за биохимични трансформации. Освен това тези молекули не могат да влязат в митохондриите непроменени.
Същността на активирането епревръщането на мастна киселина в нейния Acyl-CoA-тиоестер, който впоследствие претърпява окисление. Този процес се осъществява от специални ензими - тиокинази (Acyl-CoA синтетази), прикрепени към външната мембрана на митохондриите. Реакцията протича на 2 етапа, свързани с изразходването на енергия на два АТФ.
Необходими са три компонента за активиране:
- ATF;
- HS-CoA;
- Mg2+.
Първо, мастната киселина реагира с АТФ, за да образува ациладенилат (междинно съединение). Това от своя страна реагира с HS-CoA, тиоловата група на която измества AMP, образувайки тиоетерна връзка с карбоксилната група. В резултат на това се образува веществото ацил-КоА - производно на мастна киселина, което се транспортира до митохондриите.
Транспорт до митохондриите
Тази стъпка се нарича трансестерификация с карнитин. Трансферът на ацил-КоА към митохондриалния матрикс се осъществява през порите с участието на карнитин и специални ензими - карнитин ацилтрансферази.
За транспортиране през мембрани, CoA се заменя с карнитин, за да се образува ацил-карнитин. Това вещество се транспортира в матрицата чрез ацил-карнитин/карнитин транспортер, улеснен за дифузия.
Вътре в митохондриите протича обратна реакция, състояща се в отлепването на ретината, която отново навлиза в мембраните, и възстановяването на ацил-КоА (в този случай се използва "местния" коензим А и не този, с който се е образувала връзкатана етапа на активиране).
Основни реакции на окисляване на мастни киселини чрез β-механизъм
Най-простият вид енергийно използване на мастните киселини е β-окислението на вериги, които нямат двойни връзки, при което броят на въглеродните единици е четен. Субстратът за този процес, както е отбелязано по-горе, е ацил коензим А.
Процесът на β-окисление на мастните киселини се състои от 4 реакции:
- Дехидрогенирането е отделяне на водорода от β-въглероден атом с образуването на двойна връзка между верижните връзки, разположени в α и β-позиции (първи и втори атом). В резултат на това се образува еноил-КоА. Реакционният ензим е ацил-КоА дехидрогеназа, която действа в комбинация с коензима FAD (последният се редуцира до FADH2).
- Хидратацията е добавяне на водна молекула към еноил-КоА, което води до образуването на L-β-хидроксиацил-КоА. Извършва се от еноил-КоА-хидратаза.
- Дехидрогениране - окисление на продукта от предишната реакция от NAD-зависима дехидрогеназа с образуването на β-кетоацил-коензим А. В този случай NAD се редуцира до NADH.
- Разцепване на β-кетоацил-КоА до ацетил-КоА и 2-въглеродна съкратена ацил-КоА. Реакцията се осъществява под действието на тиолаза. Предпоставка е наличието на свободен HS-CoA.
След това всичко започва отново с първата реакция.
Цикличното повторение на всички етапи се извършва, докато цялата въглеродна верига на мастната киселина се превърне в молекули на ацетил-коензим А.
Образуване на ацетил-КоА и АТФ на примера на палмитоил-КоА окисляване
В края на всеки цикъл ацил-КоА, NADH и FADH2 молекули се образуват в едно количество и веригата ацил-КоА-тиоетер става по-къса с два атома. Чрез прехвърляне на електрони към електротранспортната верига, FADH2 дава една и половина АТФ молекули, а NADH две. В резултат на това се получават 4 АТФ молекули от един цикъл, без да се брои енергийният добив на ацетил-КоА.
Веригата на палмитинова киселина има 16 въглеродни атома. Това означава, че на етапа на окисление трябва да се извършат 7 цикъла с образуването на осем ацетил-CoA, а енергийният добив от NADH и FADH2 в този случай ще бъде 28 ATP молекули (4×7). Окислението на ацетил-КоА също води до образуването на енергия, която се съхранява в резултат на навлизането на продуктите от цикъла на Кребс в електрическата транспортна верига.
Общ добив от стъпки на окисление и цикъл на Кребс
В резултат на окисляването на ацетил-КоА се получават 10 АТФ молекули. Тъй като катаболизмът на палмитоил-КоА дава 8 ацетил-КоА, енергийният добив ще бъде 80 АТФ (10×8). Ако добавите това към резултата от окисляването на NADH и FADH2, получавате 108 молекули (80+28). От това количество трябва да се извадят 2 АТФ, които отиват за активиране на мастната киселина.
Окончателното уравнение за окисляването на палмитиновата киселина ще бъде: палмитоил-CoA + 16 O2 + 108 Pi + 80 ADP=CoA + 108 ATP + 16 CO2 + 16 H2O.
Изчисляване на освобождаването на енергия
Енергиен ауспухкатаболизма на определена мастна киселина зависи от броя на въглеродните единици в нейната верига. Броят на АТФ молекулите се изчислява по формулата:
[4(n/2 - 1) + n/2×10] - 2, където 4 е количеството ATP, генерирано по време на всеки цикъл поради NADH и FADH2, (n/2 - 1) е броят на циклите, n/2×10 е енергийният добив от окисляването на ацетил- CoA, а 2 е цената на активиране.
Характеристики на реакциите
Окислението на ненаситени мастни киселини има някои особености. По този начин, трудността на окисляването на вериги с двойни връзки се състои във факта, че последните не могат да бъдат изложени на еноил-КоА-хидратаза поради факта, че са в цис позиция. Този проблем се елиминира от еноил-КоА изомераза, поради което връзката придобива транс конфигурация. В резултат на това молекулата става напълно идентична с продукта от първия етап на бета-окисление и може да претърпи хидратация. Местата, съдържащи само единични връзки, се окисляват по същия начин като наситените киселини.
Понякога еноил-КоА-изомеразата не е достатъчна, за да продължи процеса. Това се отнася за вериги, в които присъства конфигурацията cis9-cis12 (двойни връзки при 9-ия и 12-ия въглеродни атоми). Тук не само конфигурацията е пречка, но и позицията на двойните връзки във веригата. Последното се коригира от ензима 2,4-диеноил-КоА редуктаза.
Катаболизъм на странни мастни киселини
Този тип киселина е типична за повечето липиди от естествен (естествен) произход. Това създава известна сложност, тъй като всеки цикълпредполага съкращаване с четен брой връзки. Поради тази причина цикличното окисление на висшите мастни киселини от тази група продължава до появата на 5-въглеродно съединение като продукт, който се разцепва на ацетил-КоА и пропионил-коензим А. И двете съединения влизат в друг цикъл от три реакции, в резултат на което се образува сукцинил-КоА. Той е този, който влиза в цикъла на Кребс.
Характеристики на окисляването в пероксизомите
В пероксизомите окисляването на мастни киселини се осъществява чрез бета механизъм, който е подобен, но не идентичен с митохондриалния. Също така се състои от 4 етапа, завършващи с образуването на продукта под формата на ацетил-КоА, но има няколко ключови разлики. По този начин, отделеният водород на етапа на дехидрогениране не възстановява FAD, а преминава към кислород с образуването на водороден пероксид. Последният незабавно претърпява разцепване под действието на каталаза. В резултат на това енергията, която би могла да бъде използвана за синтезиране на АТФ в дихателната верига, се разсейва като топлина.
Втората важна разлика е, че някои пероксизомни ензими са специфични за определени по-малко изобилни мастни киселини и не присъстват в митохондриалния матрикс.
Особеност на пероксизомите на чернодробните клетки е, че няма ензимен апарат на цикъла на Кребс. Следователно, в резултат на бета-окислението се образуват късоверижни продукти, които се транспортират до митохондриите за окисляване.
