BETA OXIDACE MASTNÝCH KYSELIN: KROKY, REAKCE, PRODUKTY, REGULACE - BIOLOGIE - 2025

Beta oxidace mastných kyselin je trasa katabolismu (degradace) mastných kyselin, jejichž hlavní funkcí je produkce nebo „uvolnění“ energie obsažené v vazeb těchto molekul.

Tato cesta byla objevena v roce 1904 díky experimentům provedeným německým Franzem Knoopem, který spočíval v podávání mastných kyselin, jejichž konečná methylová skupina byla modifikována fenylovou skupinou, experimentálním potkanům.

Schéma beta oxidace mastných kyselin (Zdroj: Arturo González Laguna přes Wikimedia Commons)

Knoop očekával, že produkty katabolismu těchto „analogových“ mastných kyselin budou sledovat cesty podobné oxidační cestě normálních (nemodifikovaných přírodních) mastných kyselin. Zjistil však, že existují rozdíly v produktech získaných jako funkce počtu atomů uhlíku mastných kyselin.

S těmito výsledky Knoop navrhl, že k degradaci došlo v "krocích", počínaje "útokem" na p uhlík (ten v poloze 3 vzhledem k terminální karboxylové skupině), uvolňující fragmenty dvou atomů uhlíku.

Později bylo ukázáno, že tento proces vyžaduje energii ve formě ATP, který je produkován v mitochondriích, a že fragmenty dvou atomů uhlíku vstupují do Krebsova cyklu jako acetyl-CoA.

Stručně řečeno, beta oxidace mastných kyselin zahrnuje aktivaci terminální karboxylové skupiny, transport aktivované mastné kyseliny do mitochondriální matrice a oxidaci „krokovou“ oxidací z karboxylové skupiny na dva atomy uhlíku.

Stejně jako mnoho anabolických a katabolických procesů je tato cesta regulována, protože si zaslouží mobilizaci „rezervních“ mastných kyselin, když jiné katabolické cesty nejsou dostatečné k uspokojení požadavků na energii buněk a těla.

Kroky a reakce

Mastné kyseliny jsou převážně v cytosolu, ať už pocházejí z biosyntetických drah, nebo z tukových zásob, které se ukládají z potravy (která musí vstoupit do buněk).

- Aktivace mastných kyselin a transport do mitochondrií

Aktivace mastných kyselin vyžaduje použití molekuly ATP a souvisí s tvorbou acylthioesterových konjugátů s koenzymem A.

Tato aktivace je katalyzována skupinou enzymů nazývaných acetyl-CoA ligázy specifické pro délku řetězce každé mastné kyseliny. Některé z těchto enzymů aktivují mastné kyseliny, když jsou transportovány do mitochondriální matrice, protože jsou zabudovány do vnější mitochondriální membrány.

Aktivace mastných kyselin (Zdroj: Jag123 na anglické Wikipedii přes Wikimedia Commons)

K aktivačnímu procesu dochází ve dvou krocích, nejprve se vyrobí acyladenylát z aktivované mastné kyseliny pomocí ATP, kde se uvolní molekula pyrofosfátu (PPi). Karboxylová skupina aktivovaná ATP je potom napadena thiolovou skupinou koenzymu A za vzniku acyl-CoA.

Translokace acyl-CoA mitochondriální membránou se dosáhne transportním systémem známým jako raketoplán karnitinu.

- Beta oxidace nasycených mastných kyselin se sudým počtem atomů uhlíku

Degradace mastných kyselin je cyklická cesta, protože uvolňování každého fragmentu dvou atomů uhlíku je okamžitě následováno dalším, dokud nedosáhne celé délky molekuly. Reakce, které se tohoto procesu účastní, jsou následující:

- Dehydrogenace.

- Hydratace dvojné vazby.

- Dehydrogenace hydroxylové skupiny.

- Fragmentace útokem molekuly acetyl-CoA na β uhlík.

Reakce 1: první dehydrogenace

Spočívá v tvorbě dvojné vazby mezi a-uhlíkem a p-uhlíkem odstraněním dvou atomů vodíku. Je katalyzován enzymem acyl-CoA dehydrogenázou, která tvoří molekulu trans-2-enoyl-S-CoA a molekulu FAD + (kofaktor).

Reakce 2 a 3: hydratace a dehydrogenace

Hydratace je katalyzována enoyl-CoA hydratasou, zatímco dehydrogenace je zprostředkována 3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenázou, a tato druhá reakce závisí na kofaktoru NAD +.

Hydratací trans-2-enoyl-S-CoA se získá 3-hydroxyacyl-CoA, jehož dehydrogenace vytváří 3-ketoacyl-CoA molekulu a NADH + H.

FADH2 a NADH produkované v prvních třech reakcích beta oxidace se reoxidují prostřednictvím transportního řetězce elektronů, díky čemuž se účastní produkce ATP, 2 molekul pro každou FADH2 a 3 molekul pro každou NADH.

Reakce 4: fragmentace

Každý cyklus beta oxidace, který odstraňuje molekulu se dvěma atomy uhlíku, končí „thiolytickým“ štěpením keto uhlíku, které je napadeno koenzymem A při vazbě mezi a a p uhlíky.

Tato reakce je katalyzována enzymem β-ketothioláza nebo thiolasa a její produkty jsou jedna molekula acyl-CoA (aktivovaná mastná kyselina se dvěma méně atomy uhlíku) a jedna z acetyl-CoA.

- Beta oxidace nasycených mastných kyselin s lichým počtem atomů uhlíku

V mastných kyselinách s lichým počtem atomů uhlíku (které nejsou příliš hojné) má molekula posledního degradačního cyklu 5 atomů uhlíku, takže její fragmentace vytváří molekulu acetyl-CoA (která vstupuje do cyklu Krebs) a další z propionyl-CoA.

Propionyl-CoA musí být karboxylovaný (reakce závislá na ATP a hydrogenuhličitanu) enzymem propionyl-CoA karboxyláza, čímž se vytvoří sloučenina známá jako D-methylmalonyl-CoA, která musí být epimerizována na svou "L" formu.

Beta oxidace lichých mastných kyselin (Zdroj: Eleska přes Wikimedia Commons)

Sloučenina, která je výsledkem epimerace, se potom převede na sukcinyl-CoA působením enzymu L-methylmalonyl-CoA mutázy a tato molekula, stejně jako acetyl-CoA, vstupuje do cyklu kyseliny citronové.

- Beta oxidace nenasycených mastných kyselin

Mnoho buněčných lipidů má řetězce nenasycených mastných kyselin, to znamená, že mezi svými atomy uhlíku mají jednu nebo více dvojných vazeb.

Oxidace těchto mastných kyselin je poněkud odlišná od oxidace nasycených mastných kyselin, protože dva další enzymy, enoyl-CoA isomeráza a 2,4-dienoyl-CoA reduktáza, jsou zodpovědné za odstranění těchto nenasycených mastných kyselin, takže tyto mastné kyseliny může být substrátem pro enzym enoyl-CoA hydratázu.

Beta oxidace nenasycených mastných kyselin (Zdroj: Hajime7basketball přes Wikimedia Commons)

Enoyl-CoA isomeráza působí na mononenasycené mastné kyseliny (pouze s jednou nenasycením), zatímco enzym 2,4-dienoyl-CoA reduktáza reaguje s polynenasycenými mastnými kyselinami (se dvěma nebo více nenasycením).

- Beta extramitochondriální oxidace

Beta oxidace mastných kyselin může také nastat uvnitř jiných cytosolických organel, jako jsou například peroxisomy, s tím rozdílem, že elektrony, které jsou přeneseny na FAD +, nejsou dodávány do dýchacího řetězce, ale přímo do kyslíku.

Tato reakce produkuje peroxid vodíku (kyslík je redukován), sloučenina, která je eliminována enzymem katalázy, specifickým pro tyto organely.

Produkty beta oxidace

Oxidace mastných kyselin produkuje mnohem více energie než rozklad uhlohydrátů. Hlavním produktem beta oxidace je acetyl-CoA produkovaný v každém kroku cyklické části cesty, avšak dalšími produkty jsou:

- AMP, H + a pyrofosfát (PPi), vznikající během aktivace.

- FADH2 a NADH pro každý vyrobený acetyl-CoA.

- Succinyl-CoA, ADP, Pi, pro mastné kyseliny s lichým řetězcem.

Beta oxidace kyseliny palmitové (Zdroj: „Rojinbkht přes Wikimedia Commons)

Pokud vezmeme jako příklad úplnou beta oxidaci kyseliny palmitové (palmitátu), mastné kyseliny se 16 atomy uhlíku, množství vyrobené energie je ekvivalentní více či méně 129 molekul ATP, které pocházejí ze 7 zatáček, které musí dokončit. cyklus.

Nařízení

Regulace beta oxidace mastných kyselin ve většině buněk závisí na dostupnosti energie, která se netýká pouze uhlohydrátů, ale také samotných mastných kyselin.

Zvířata řídí mobilizaci a tím i odbourávání tuků prostřednictvím hormonálních podnětů, které jsou současně řízeny molekulami, jako je například cAMP.

V játrech, hlavním orgánu rozkladu tuků, je koncentrace malonyl-CoA nesmírně důležitá pro regulaci beta oxidace; toto je první substrát účastnící se dráhy biosyntézy mastných kyselin.

Když se malonyl-CoA akumuluje ve velkých poměrech, podporuje biosyntézu mastných kyselin a inhibuje mitochondriální transportér nebo acylkarnitinový kyvadlový systém. Když se jeho koncentrace sníží, inhibice přestane a aktivuje se beta oxidace.

Reference

1. Mathews, C., van Holde, K., & Ahern, K. (2000). Biochemistry (3. vydání). San Francisco, Kalifornie: Pearson.
2. Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Lehningerovy principy biochemie. Vydání Omega (5. vydání).
3. Rawn, JD (1998). Biochemie. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson Publishers.
4. Schulz, H. (1991). Beta oxidace mastných kyselin. Biochimica et Biophysica Acta, 1081, 109–120.
5. Schulz, H. (1994). Regulace oxidace mastných kyselin v srdci. Critical Review, 165–171.
6. Schulz, H., & Kunau, W. (1987). Beta-oxidace nenasycených mastných kyselin: revidovaná cesta. TIBS, 403-406.