Kaiken organismin elämän pääedellytys on jatkuva energian saanti, joka kuluu erilaisiin soluprosesseihin. Samanaikaisesti tiettyä osaa ravintoaineyhdisteistä ei voida käyttää heti, vaan ne voidaan muuttaa varoiksi. Tällaisen säiliön roolia suorittavat rasvat (lipidit), jotka koostuvat glyserolista ja rasvahapoista. Kenno käyttää jälkimmäisiä polttoaineena. Tässä tapauksessa rasvahapot hapettuvat CO2 ja H2O.
Rasvahappoperusaineet
Rasvahapot ovat eripituisia hiiliketjuja (4-36 atomia), jotka luokitellaan kemiallisesti karboksyylihapoiksi. Nämä ketjut voivat olla joko haarautuneita tai haarautumattomia ja sisältävät eri määrän kaksoissidoksia. Jos jälkimmäisiä puuttuu kokonaan, rasvahappoja kutsutaan tyydyttyneiksi (tyypillisiä monille eläinperäisille lipideille) ja muuten -tyydyttymätön. Kaksoissidosten järjestyksen mukaan rasvahapot jaetaan kertatyydyttymättömiin ja monityydyttymättömiin.
Useimmat ketjut sisältävät parillisen määrän hiiliatomeja, mikä johtuu niiden synteesin erikoisuudesta. On kuitenkin olemassa yhteyksiä, joissa on pariton määrä linkkejä. Näiden kahden tyyppisten yhdisteiden hapetus on hieman erilainen.
Yleiset ominaisuudet
Rasvahappojen hapetusprosessi on monimutkainen ja monivaiheinen. Se alkaa niiden tunkeutumisesta soluun ja päättyy hengitysketjuun. Samaan aikaan viimeiset vaiheet itse asiassa toistavat hiilihydraattien kataboliaa (Krebsin kiertokulkua, transmembraanisen gradientin energian muuttumista makroergiseksi sidokseksi). Prosessin lopputuotteet ovat ATP, CO2 ja vesi.
Rasvahappojen hapetus eukaryoottisolussa tapahtuu mitokondrioissa (tyypillisin sijaintipaikka), peroksisomeissa tai endoplasmisessa retikulumissa.
Hapettumisen lajikkeet (tyypit)
Rasvahappojen hapettumista on kolmea tyyppiä: α, β ja ω. Useimmiten tämä prosessi etenee β-mekanismin avulla ja sijoittuu mitokondrioihin. Omega-reitti on vähäinen vaihtoehto β-mekanismille, ja se tapahtuu endoplasmisessa retikulumissa, kun taas alfamekanismi on ominaista vain yhdelle rasvahapotyypille (fytaani).
Rasvahappojen hapettumisen biokemia mitokondrioissa
Mietokondrioiden kataboliaprosessi jaetaan tavanomaisesti kolmeen vaiheeseen:
- aktivointi ja kuljetus mitokondrioihin;
- hapetus;
- muodostetun asetyylikoentsyymi A:n hapetus Krebsin syklin ja sähköisen kuljetusketjun kautta.
Aktivointi on valmisteleva prosessi, joka muuttaa rasvahapot biokemiallisiin muutoksiin käytettävissä olevaan muotoon, koska nämä molekyylit ovat itse inerttejä. Lisäksi ilman aktivaatiota ne eivät voi tunkeutua mitokondrioiden kalvoihin. Tämä vaihe tapahtuu mitokondrioiden ulkokalvolla.
Itse asiassa hapettuminen on keskeinen vaihe prosessissa. Se sisältää neljä vaihetta, joiden jälkeen rasvahappo muunnetaan asetyyli-CoA-molekyyleiksi. Sama tuote muodostuu hiilihydraattien käytön aikana, joten seuraavat vaiheet ovat samanlaisia kuin aerobisen glykolyysin viimeiset vaiheet. ATP:n muodostuminen tapahtuu elektronien kuljetusketjussa, jossa sähkökemiallisen potentiaalin energiaa käytetään makroergisen sidoksen muodostamiseen.
Rasvahappojen hapettumisprosessissa muodostuu asetyyli-CoA:n lisäksi myös NADH- ja FADH-molekyylejä2, jotka myös tulevat hengitysketjuun elektronien luovuttajina. Tämän seurauksena lipidikatabolismin kokonaisenergian tuotto on melko korkea. Joten esimerkiksi palmitiinihapon hapetus β-mekanismilla antaa 106 ATP-molekyyliä.
Aktivointi ja siirto mitokondriomatriisiin
Rasvahapot itsessään ovat inerttejä eivätkä ne voi hapettua. Aktivointi tuo ne biokemiallisiin muutoksiin käytettävissä olevaan muotoon. Lisäksi nämä molekyylit eivät pääse muuttumattomina mitokondrioihin.
Aktivoinnin ydin onrasvahapon muuntaminen asyyli-CoA-tioesterikseen, joka sen jälkeen hapettuu. Tämän prosessin suorittavat erityiset entsyymit - tiokinaasit (asyyli-CoA-syntetaasit), jotka ovat kiinnittyneet mitokondrioiden ulkokalvoon. Reaktio etenee kahdessa vaiheessa, jotka liittyvät kahden ATP:n energiankulutukseen.
Aktivoimiseen tarvitaan kolme komponenttia:
- ATF;
- HS-CoA;
- Mg2+.
Ensinnäkin rasvahappo reagoi ATP:n kanssa muodostaen asyladenylaattia (välituotetta). Se vuorostaan reagoi HS-CoA:n kanssa, jonka tioliryhmä syrjäyttää AMP:n muodostaen tioeetterisidoksen karboksyyliryhmän kanssa. Tuloksena muodostuu asyyli-CoA-aine - rasvahappojohdannainen, joka kuljetetaan mitokondrioihin.
Kuljetus mitokondrioihin
Tätä vaihetta kutsutaan transesteröimiseksi karnitiinilla. Asyyli-CoA:n siirtyminen mitokondriomatriisiin tapahtuu huokosten kautta karnitiinin ja erityisten entsyymien - karnitiiniasyylitransferaasien - osallistuessa.
Membraanin läpi kuljetettaessa CoA korvataan karnitiinilla asyylikarnitiinin muodostamiseksi. Tämä aine kuljetetaan matriisiin asyylikarnitiinin/karnitiinin kuljettajan helpotetun diffuusion avulla.
Mitokondrioiden sisällä tapahtuu käänteinen reaktio, joka koostuu verkkokalvon irtoamisesta, joka tulee jälleen kalvoihin, ja asyyli-CoA:n palautumisesta (tässä tapauksessa käytetään "paikallista" koentsyymi A:ta, ja ei se, jonka kanssa side muodostettiinaktivointivaiheessa).
Rasvahappojen hapettumisen pääreaktiot β-mekanismilla
Rasvahappojen yksinkertaisin energiankäyttötapa on kaksoissidoksia sisältämättömien ketjujen β-hapetus, jossa hiiliyksiköiden lukumäärä on parillinen. Tämän prosessin substraatti, kuten yllä mainittiin, on asyylikoentsyymi A.
Rasvahappojen β-hapetusprosessi koostuu 4 reaktiosta:
- Dehydraus on vedyn irtoamista β-hiiliatomista, jolloin muodostuu kaksoissidos α- ja β-asemissa (ensimmäinen ja toinen atomi) olevien ketjulinkkien välille. Tämän seurauksena muodostuu enoyyli-CoA:ta. Reaktioentsyymi on asyyli-CoA-dehydrogenaasi, joka toimii yhdessä koentsyymin FAD kanssa (jälkimmäinen pelkistyy FADH2:ksi).
- Hydraatio on vesimolekyylin lisäämistä enoyyli-CoA:han, mikä johtaa L-β-hydroksiasyyli-CoA:n muodostumiseen. Suorittaa enoyyli-CoA-hydrataasi.
- Dehydraus - edellisen reaktion tuotteen hapetus NAD-riippuvaisella dehydrogenaasilla, jolloin muodostuu β-ketoasyylikoentsyymi A. Tässä tapauksessa NAD pelkistyy NADH:ksi.
- β-ketoasyyli-CoA:n pilkkominen asetyyli-CoA:ksi ja 2-hiilestä lyhennetyksi asyyli-CoA:ksi. Reaktio suoritetaan tiolaasin vaikutuksesta. Edellytyksenä on ilmainen HS-CoA.
Sitten kaikki alkaa alusta ensimmäisestä reaktiosta.
Kaikkien vaiheiden syklinen toisto suoritetaan, kunnes rasvahapon koko hiiliketju muuttuu asetyylikoentsyymi A:n molekyyleiksi.
Asetyyli-CoA:n ja ATP:n muodostuminen palmitoyyli-CoA-hapetuksen esimerkissä
Jokaisen syklin lopussa asyyli-CoA-, NADH- ja FADH2-molekyylejä muodostuu yhtenä määränä, ja asyyli-CoA-tioeetteriketju lyhenee kahdella atomilla. Siirtämällä elektroneja sähkökuljetusketjuun FADH2 antaa puolitoista ATP-molekyyliä ja NADH kaksi. Tuloksena yhdestä syklistä saadaan 4 ATP-molekyyliä, laskematta asetyyli-CoA:n energian saantoa.
Palmitiinihappoketjussa on 16 hiiliatomia. Tämä tarkoittaa, että hapetusvaiheessa tulisi suorittaa 7 sykliä, joissa muodostuu kahdeksan asetyyli-CoA:ta, ja energian saanto NADH:sta ja FADH2 on tässä tapauksessa 28 ATP-molekyyliä. (4×7). Asetyyli-CoA:n hapettuminen menee myös energian muodostukseen, joka varastoituu Krebsin syklin tuotteiden saapuessa sähköiseen kuljetusketjuun.
Hapetusvaiheiden ja Krebsin syklin kokonaissaanto
Asetyyli-CoA:n hapettumisen seurauksena saadaan 10 ATP-molekyyliä. Koska palmitoyyli-CoA:n katabolia tuottaa 8 asetyyli-CoA:ta, energian saanto on 80 ATP (10 × 8). Jos lisäät tämän NADH:n ja FADH2:n hapettumisen tulokseen, saat 108 molekyyliä (80+28). Tästä määrästä pitäisi vähentää 2 ATP:tä, jotka menivät aktivoimaan rasvahappoa.
Palmitiinihapon hapettumisen lopullinen yhtälö on: palmitoyyli-CoA + 16 O2 + 108 Pi + 80 ADP=CoA + 108 ATP + 16 CO2 + 16 H2O.
Energian vapautumisen laskenta
Energiapakokaasutietyn rasvahapon katabolia riippuu hiiliyksiköiden lukumäärästä sen ketjussa. ATP-molekyylien määrä lasketaan kaavalla:
[4(n/2 - 1) + n/2×10] - 2, jossa 4 on NADH:sta ja FADH2:sta johtuen kunkin syklin aikana syntyvän ATP:n määrä, (n/2 - 1) on jaksojen lukumäärä, n/2×10 on energian saanto asetyyli- CoA, ja 2 on aktivointikustannukset.
Reaktioiden ominaisuudet
Tydyttymättömien rasvahappojen hapettumisessa on joitain erityispiirteitä. Siten ketjujen hapetuksen vaikeus kaksoissidoksilla piilee siinä, että jälkimmäisiä ei voida altistaa enoyyli-CoA-hydrataasille, koska ne ovat cis-asennossa. Tämän ongelman eliminoi enoyyli-CoA-isomeraasi, jonka ansiosta sidos saa trans-konfiguraation. Tämän seurauksena molekyylistä tulee täysin identtinen beetahapetuksen ensimmäisen vaiheen tuotteen kanssa ja se voi käydä läpi hydratoitumisen. Kohdat, jotka sisältävät vain yksittäisiä sidoksia, hapettavat samalla tavalla kuin tyydyttyneet hapot.
Joskus enoyyli-CoA-isomeraasi ei riitä jatkamaan prosessia. Tämä koskee ketjuja, joissa on cis9-cis12-konfiguraatio (kaksoissidokset 9. ja 12. hiiliatomissa). Tässä ei vain konfiguraatio ole este, vaan myös kaksoissidosten sijainti ketjussa. Jälkimmäistä korjaa entsyymi 2,4-dienoyyli-CoA-reduktaasi.
Parittomien rasvahappojen katabolia
Tämäntyyppinen happo on tyypillinen useimmille luonnollista (luonnollista) alkuperää oleville lipideille. Tämä luo tietyn monimutkaisuuden, koska jokainen syklitarkoittaa lyhentämistä parillisella määrällä linkkejä. Tästä syystä tämän ryhmän korkeampien rasvahappojen syklinen hapetus jatkuu, kunnes tuotteena ilmestyy 5-hiiliyhdiste, joka pilkkoutuu asetyyli-CoA:ksi ja propionyylikoentsyymi A:ksi. Molemmat yhdisteet siirtyvät toiseen kolmen reaktion sykliin., jonka seurauksena muodostuu sukkinyyli-CoA:ta. Hän astuu Krebsin sykliin.
Hapettumisen piirteitä peroksisomeissa
Peroksisomeissa rasvahappojen hapettuminen tapahtuu beetamekanismin kautta, joka on samanlainen, mutta ei identtinen mitokondrioiden kanssa. Se koostuu myös 4 vaiheesta, jotka huipentuvat tuotteen muodostumiseen asetyyli-CoA:n muodossa, mutta sillä on useita keskeisiä eroja. Siten dehydrausvaiheessa erottuva vety ei palauta FAD:ta, vaan siirtyy hapeksi vetyperoksidin muodostuessa. Jälkimmäinen pilkkoutuu välittömästi katalaasin vaikutuksesta. Tämän seurauksena energia, jota olisi voitu käyttää ATP:n syntetisoimiseen hengitysketjussa, hajoaa lämpönä.
Toinen tärkeä ero on, että jotkin peroksisomientsyymit ovat spesifisiä tietyille vähemmän runsaille rasvahapoille eivätkä ne ole läsnä mitokondriomatriisissa.
Maksasolujen peroksisomien ominaisuus on, että Krebsin syklissä ei ole entsymaattista laitteistoa. Siksi beetahapetuksen seurauksena muodostuu lyhytketjuisia tuotteita, jotka kuljetetaan mitokondrioihin hapettumaan.
