BETA OKSIDACIJA MASNIH KISELINA: KORACI, REAKCIJE, PROIZVODI, REGULACIJA - BIOLOGIJA - 2025

Beta oksidacije masnih kiselina je put od katabolizma (razgradnje) masnih kiselina, čija osnovna funkcija je proizvodnja ili „otpuštanje” energije sadržane u veza tih molekula.

Taj je put otkriven 1904. zahvaljujući eksperimentima koje je izveo Nijemac Franz Knoop, a koji se sastojao od davanja masnim kiselinama pokusnim štakorima čija je konačna metilna skupina modificirana s fenilnom skupinom.

Dijagram beta oksidacije masnih kiselina (Izvor: Arturo González Laguna putem Wikimedia Commonsa)

Knoop je očekivao da će produkti katabolizma tih "analognih" masnih kiselina slijediti putove slične putu oksidacije normalnih (nemodificiranih prirodnih) masnih kiselina. Međutim, otkrio je da postoje razlike u proizvodima dobivenim kao funkcija broja ugljikovih atoma masnih kiselina.

Uz ove rezultate, Knoop je predložio da se razgradnja dogodi u "koracima", počevši od "napada" na β ugljika (onog na položaju 3 u odnosu na terminalnu karboksilnu skupinu), oslobađajući fragmente dva ugljikova atoma.

Kasnije je pokazano da proces zahtijeva energiju u obliku ATP-a, koji se proizvodi u mitohondrijama i da fragmenti dva ugljikova atoma ulaze u Krebsov ciklus kao acetil-CoA.

Ukratko, beta oksidacija masnih kiselina uključuje aktiviranje terminalne karboksilne skupine, transport aktivirane masne kiseline u mitohondrijski matriks i dvostepenu oksidaciju ugljika "dva po dva" iz karboksilne skupine.

Kao i mnogi anabolički i katabolički procesi, i ovaj put je reguliran, jer zaslužuje mobilizaciju "rezervnih" masnih kiselina kad ostali katabolički putevi nisu dovoljni da zadovolje stanične i tjelesne potrebe za energijom.

Koraci i reakcije

Masne kiseline nalaze se pretežno u citosolu, bilo da dolaze iz biosintetskih putova ili iz masnih naslaga koje se čuvaju iz gutane hrane (koja mora ući u stanice).

- Aktivacija masnih kiselina i transport do mitohondrija

Aktivacija masnih kiselina zahtijeva upotrebu molekule ATP-a i ima veze s stvaranjem acil tioesterskih konjugata s koenzimom A.

Ovu aktivaciju katalizira grupa enzima nazvana acetil-CoA ligaza specifična za dužinu lanca svake masne kiseline. Neki od tih enzima aktiviraju masne kiseline dok se transportiraju u mitohondrijski matriks, jer su ugrađeni u vanjsku mitohondrijsku membranu.

Aktivacija masnih kiselina (Izvor: Jag123 na engleskoj Wikipediji putem Wikimedia Commonsa)

Postupak aktivacije događa se u dva koraka, prvo stvarajući acil adenilat iz aktivirane masne kiseline s ATP-om, gdje se oslobađa molekula pirofosfata (PPi). Karboksilnu skupinu aktiviranu ATP-om tada napada tiolna skupina koenzima A da tvori acil-CoA.

Translokacija acil-CoA kroz mitohondrijsku membranu postiže se transportnim sustavom poznatim kao karnitinski shuttle.

- Beta oksidacija zasićenih masnih kiselina s ujednačenim brojem ugljikovih atoma

Razgradnja masnih kiselina ciklički je put, jer oslobađanje svakog fragmenta dva ugljikova atoma odmah slijedi drugi, sve dok ne dosegne čitavu duljinu molekule. Reakcije koje su sudjelovale u ovom procesu su sljedeće:

- Dehidrogenacija.

- Hidratacija dvostruke veze.

- Dehidriranje hidroksilne skupine.

- Fragmentacija napadom molekule acetil-CoA na β ugljik.

Reakcija 1: prvo dehidriranje

Sastoji se od stvaranja dvostruke veze između α-ugljika i β-ugljika eliminacijom dva atoma vodika. Katalitira ga enzim acil-CoA dehidrogenaza, koji tvori molekulu trans-2-enoil-S-CoA i molekulu FAD + (kofaktor).

Reakcije 2 i 3: hidratacija i dehidrogenacija

Hidrataciju katalizira enoil-CoA hidrataza, dok dehidrogenacija posreduje 3-hidroksiacil-CoA dehidrogenaza, a potonja reakcija ovisi o kofaktoru NAD +.

Hidratacijom trans2-enoil-S-CoA nastaje 3-hidroksiacil-CoA, čija dehidriranjem nastaje molekula 3-ketoacil-CoA i NADH + H.

FADH2 i NADH nastali u prve tri reakcije beta oksidacije ponovno se oksidiraju kroz lanac transporta elektrona, zahvaljujući čemu sudjeluju u proizvodnji ATP-a, 2 molekule za svaki FADH2 i 3 molekule za svaki NADH.

Reakcija 4: fragmentacija

Svaki ciklus beta oksidacije koji uklanja molekulu s dva atoma ugljika završava "tiolitičkim" cijepanjem keto ugljika, kojeg napada koenzim A na vezi između α i β ugljika.

Ovu reakciju katalizira enzim β-ketothiolase ili tiolaza, a njeni produkti su jedna molekula acil-CoA (aktivirana masna kiselina s dva manje ugljikova atoma) i jedna od acetil-CoA.

- Beta oksidacija zasićenih masnih kiselina s neparnim brojem ugljikovih atoma

U masnim kiselinama s neparnim brojem ugljikovih atoma (koji nisu vrlo obilni), molekula posljednjeg ciklusa razgradnje ima 5 atoma ugljika, tako da njegova fragmentacija stvara acetil-CoA molekulu (koja ulazi u ciklus Krebs) i još jednog od propionil-CoA.

Propionil-CoA mora biti karboksiliran (reakcija ovisna o ATP i bikarbonatu) enzim propionil-CoA karboksilaza, stvarajući tako spoj poznat kao D-metilmalonil-CoA, koji mora biti epimeriziran do svog "L" oblika.

Beta oksidacija neparnih masnih kiselina (Izvor: Eleska putem Wikimedia Commons)

Spoj koji nastaje epimerizacijom tada se pretvara u sukcinil-CoA djelovanjem enzima L-metilmalonil-CoA mutaze, a ta molekula, kao i acetil-CoA, ulazi u ciklus limunske kiseline.

- Beta oksidacija nezasićenih masnih kiselina

Mnogi stanični lipidi imaju nezasićene lance masnih kiselina, to jest imaju jednu ili više dvostrukih veza između svojih atoma ugljika.

Oksidacija ovih masnih kiselina malo se razlikuje od one zasićenih masnih kiselina, jer su za uklanjanje tih nezasićenja zadužena dva dodatna enzima, enoil-CoA izomeraza i 2,4-dienoil-CoA reduktaza. može biti supstrat enzima enoil-CoA hidrataze.

Beta oksidacija nezasićenih masnih kiselina (Izvor: Hajime7basketball via Wikimedia Commons)

Enoil-CoA izomeraza djeluje na mononezasićene masne kiseline (sa samo jednom nezasićenošću), u međuvremenu enzim 2,4-dienoil-CoA reduktaza reagira s polinezasićenim masnim kiselinama (s dvije ili više nezasićenja).

- Beta ekstramitohondrijska oksidacija

Beta oksidacija masnih kiselina može se dogoditi i unutar drugih citosolnih organela poput peroksisoma, s razlikom što se elektroni koji se prenose u FAD + ne dostavljaju u dišni lanac, već izravno kisikom.

Ovom reakcijom nastaje vodikov peroksid (kisik se smanjuje), spoj koji se eliminira enzimom katalaze, specifičnim za ove organele.

Proizvodi beta oksidacije

Oksidacija masne kiseline stvara mnogo više energije od razgradnje ugljikohidrata. Glavni proizvod beta oksidacije je acetil-CoA proizveden u svakom koraku cikličkog dijela puta, međutim, ostali proizvodi su:

- AMP, H + i pirofosfat (PPi), nastali tijekom aktivacije.

- FADH2 i NADH, za svaki proizvedeni acetil-CoA.

- Succinyl-CoA, ADP, Pi, za neparne masne kiseline.

Beta oksidacija palmitinske kiseline (Izvor: ´Rojinbkht putem Wikimedia Commonsa]

Ako kao primjer uzmemo potpunu beta oksidaciju palmitinske kiseline (palmitat), masne kiseline sa 16 atoma ugljika, količina proizvedene energije ekvivalentna je više ili manje 129 molekula ATP-a, koje dolaze od 7 okretaja koje mora dovršiti. ciklus.

regulacija

Regulacija beta oksidacije masnih kiselina u većini stanica ovisi o energetskoj dostupnosti, koja se ne odnosi samo na ugljikohidrate, već i na same masne kiseline.

Životinje kontroliraju mobilizaciju i, prema tome, razgradnju masti pomoću hormonskih podražaja, koji istodobno kontroliraju molekule poput cAMP-a.

U jetri, glavnom organu razgradnje masti, koncentracija malonil-CoA izuzetno je važna za regulaciju beta oksidacije; ovo je prvi supstrat koji je uključen u put biosinteze masnih kiselina.

Kad se malonil-CoA akumulira u velikim omjerima, on potiče biosintezu masnih kiselina i inhibira mitohondrijski transporter ili acil-karnitin. Kad se njegova koncentracija smanji, inhibicija prestaje i aktivira se beta oksidacija.

Reference

1. Mathews, C., van Holde, K., i Ahern, K. (2000). Biokemija (3. izd.). San Francisco, Kalifornija: Pearson.
2. Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Lehningerovi principi biokemije. Omega izdanja (5. izd.).
3. Rawn, JD (1998). Biokemija. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson Publishers.
4. Schulz, H. (1991). Beta oksidacija masnih kiselina. Biochimica i Biophysica Acta, 1081, 109-120.
5. Schulz, H. (1994). Regulacija oksidacije masne kiseline u srcu. Kritički osvrt, 165–171.
6. Schulz, H., i Kunau, W. (1987). Beta-oksidacija nezasićenih masnih kiselina: revidirani put. TIBS, 403-406.