De belangrijkste voorwaarde voor het leven van elk organisme is de continue toevoer van energie, die wordt besteed aan verschillende cellulaire processen. Tegelijkertijd kan een bepaald deel van de voedingsstofverbindingen niet direct worden gebruikt, maar worden omgezet in reserves. De rol van een dergelijk reservoir wordt vervuld door vetten (lipiden), bestaande uit glycerol en vetzuren. Deze laatste worden door de cel als brandstof gebruikt. In dit geval worden vetzuren geoxideerd tot CO2 en H2O.
Vetzuurbasis
Vetzuren zijn koolstofketens van verschillende lengtes (van 4 tot 36 atomen), die chemisch worden geclassificeerd als carbonzuren. Deze ketens kunnen vertakt of onvertakt zijn en bevatten verschillende aantallen dubbele bindingen. Als deze laatste volledig afwezig zijn, worden vetzuren verzadigd genoemd (typisch voor veel lipiden van dierlijke oorsprong), en anders -onverzadigd. Volgens de rangschikking van dubbele bindingen worden vetzuren verdeeld in enkelvoudig onverzadigd en meervoudig onverzadigd.
De meeste ketens bevatten een even aantal koolstofatomen, wat te wijten is aan de eigenaardigheid van hun synthese. Er zijn echter verbindingen met een oneven aantal verbindingen. De oxidatie van deze twee soorten verbindingen is iets anders.
Algemene kenmerken
Het proces van vetzuuroxidatie is complex en bestaat uit meerdere fasen. Het begint met hun penetratie in de cel en eindigt in de ademhalingsketen. Tegelijkertijd herhalen de laatste stadia eigenlijk het katabolisme van koolhydraten (de Krebs-cyclus, de transformatie van de energie van de transmembraangradiënt in een macro-erge binding). De eindproducten van het proces zijn ATP, CO2 en water.
Oxidatie van vetzuren in een eukaryote cel wordt uitgevoerd in mitochondriën (de meest karakteristieke lokalisatieplaats), peroxisomen of endoplasmatisch reticulum.
Rassen (soorten) van oxidatie
Er zijn drie soorten vetzuuroxidatie: α, β en ω. Meestal verloopt dit proces door het β-mechanisme en is het gelokaliseerd in mitochondriën. De omega-route is een klein alternatief voor het β-mechanisme en wordt uitgevoerd in het endoplasmatisch reticulum, terwijl het alfa-mechanisme kenmerkend is voor slechts één type vetzuur (fytaan).
Biochemie van vetzuuroxidatie in mitochondriën
Gemakshalve wordt het proces van mitochondriaal katabolisme conventioneel verdeeld in 3 fasen:
- activering en transport naar mitochondriën;
- oxidatie;
- oxidatie van het gevormde acetyl-co-enzym A door de Krebs-cyclus en de elektrische transportketen.
Activering is een voorbereidend proces dat vetzuren omzet in een vorm die beschikbaar is voor biochemische transformaties, aangezien deze moleculen zelf inert zijn. Bovendien kunnen ze zonder activering de mitochondriale membranen niet binnendringen. Deze fase vindt plaats op het buitenmembraan van de mitochondriën.
In feite is oxidatie een belangrijke stap in het proces. Het omvat vier fasen, waarna het vetzuur wordt omgezet in Acetyl-CoA-moleculen. Hetzelfde product wordt gevormd tijdens het gebruik van koolhydraten, zodat de volgende stappen vergelijkbaar zijn met de laatste stappen van aerobe glycolyse. De vorming van ATP vindt plaats in de elektronentransportketen, waar de energie van de elektrochemische potentiaal wordt gebruikt om een macro-erge binding te vormen.
Tijdens het proces van vetzuuroxidatie worden naast Acetyl-CoA ook NADH- en FADH-moleculen gevormd2, die ook de ademhalingsketen binnendringen als elektronendonoren. Als gevolg hiervan is de totale energie-output van lipidenkatabolisme vrij hoog. Dus, bijvoorbeeld, de oxidatie van palmitinezuur door het β-mechanisme geeft 106 ATP-moleculen.
Activering en overdracht naar de mitochondriale matrix
Vetzuren zelf zijn inert en kunnen niet worden geoxideerd. Activering brengt ze in een vorm die beschikbaar is voor biochemische transformaties. Bovendien kunnen deze moleculen niet onveranderd de mitochondriën binnendringen.
De essentie van activatie isde omzetting van een vetzuur in zijn Acyl-CoA-thioester, die vervolgens oxidatie ondergaat. Dit proces wordt uitgevoerd door speciale enzymen - thiokinasen (Acyl-CoA-synthetasen) die aan het buitenmembraan van mitochondriën zijn bevestigd. De reactie verloopt in 2 fasen, die gepaard gaan met het verbruik van twee ATP's.
Drie componenten zijn vereist voor activering:
- ATF;
- HS-CoA;
- Mg2+.
Eerst reageert het vetzuur met ATP om acyladenylaat (een tussenproduct) te vormen. Dat reageert op zijn beurt met HS-CoA, waarvan de thiolgroep AMP verdringt en een thioetherbinding vormt met de carboxylgroep. Hierdoor wordt de stof acyl-CoA gevormd - een vetzuurderivaat, dat naar de mitochondriën wordt getransporteerd.
Transport naar mitochondriën
Deze stap wordt transverestering met carnitine genoemd. De overdracht van acyl-CoA naar de mitochondriale matrix wordt uitgevoerd door de poriën met de deelname van carnitine en speciale enzymen - carnitine-acyltransferasen.
Voor transport over membranen wordt CoA vervangen door carnitine om acyl-carnitine te vormen. Deze stof wordt in de matrix getransporteerd door acyl-carnitine/carnitine transporter gefaciliteerde diffusie.
Binnen de mitochondriën vindt een omgekeerde reactie plaats, bestaande uit het loslaten van het netvlies, dat weer de membranen binnendringt, en het herstel van acyl-CoA (in dit geval wordt het "lokale" co-enzym A gebruikt, en niet degene waarmee de band werd gevormdin de activeringsfase).
Belangrijkste reacties van vetzuuroxidatie door β-mechanisme
Het eenvoudigste type energiegebruik van vetzuren is β-oxidatie van ketens die geen dubbele bindingen hebben, waarbij het aantal koolstofeenheden even is. Het substraat voor dit proces, zoals hierboven vermeld, is acylco-enzym A.
Het proces van β-oxidatie van vetzuren bestaat uit 4 reacties:
- Dehydrogenering is het afsplitsen van waterstof van een β-koolstofatoom met de vorming van een dubbele binding tussen kettingschakels op α- en β-posities (eerste en tweede atoom). Als resultaat wordt enoyl-CoA gevormd. Het reactie-enzym is acyl-CoA-dehydrogenase, dat werkt in combinatie met het co-enzym FAD (de laatste wordt gereduceerd tot FADH2).
- Hydratie is de toevoeging van een watermolecuul aan enoyl-CoA, wat resulteert in de vorming van L-β-hydroxyacyl-CoA. Uitgevoerd door enoyl-CoA-hydratase.
- Dehydrogenering - oxidatie van het product van de vorige reactie door NAD-afhankelijke dehydrogenase met de vorming van β-ketoacyl-co-enzym A. In dit geval wordt NAD gereduceerd tot NADH.
- Splitsing van β-ketoacyl-CoA tot acetyl-CoA en een 2-koolstof verkort acyl-CoA. De reactie wordt uitgevoerd onder de werking van thiolase. Een vereiste is de aanwezigheid van gratis HS-CoA.
Dan begint alles opnieuw met de eerste reactie.
De cyclische herhaling van alle stadia wordt uitgevoerd totdat de gehele koolstofketen van het vetzuur is omgezet in moleculen van acetyl-co-enzym A.
Vorming van Acetyl-CoA en ATP naar het voorbeeld van palmitoyl-CoA-oxidatie
Aan het einde van elke cyclus worden acyl-CoA-, NADH- en FADH2-moleculen in een enkele hoeveelheid gevormd en wordt de acyl-CoA-thioetherketen twee atomen korter. Door elektronen over te brengen naar de elektrotransportketen, geeft FADH2 anderhalve ATP-moleculen en NADH twee. Als resultaat worden 4 ATP-moleculen verkregen uit één cyclus, de energieopbrengst van acetyl-CoA niet meegerekend.
De palmitinezuurketen heeft 16 koolstofatomen. Dit betekent dat in het stadium van oxidatie 7 cycli moeten worden uitgevoerd met de vorming van acht acetyl-CoA, en de energieopbrengst van NADH en FADH2 zal in dit geval 28 ATP-moleculen zijn (4×7). De oxidatie van acetyl-CoA gaat ook naar de vorming van energie, die wordt opgeslagen als gevolg van de producten van de Krebs-cyclus die de elektrische transportketen binnenkomen.
Totale opbrengst van oxidatiestappen en Krebs-cyclus
Als resultaat van de oxidatie van acetyl-CoA worden 10 ATP-moleculen verkregen. Aangezien het katabolisme van palmitoyl-CoA 8 acetyl-CoA oplevert, zal de energieopbrengst 80 ATP (10×8) zijn. Tel je dit op bij het resultaat van de oxidatie van NADH en FADH2, dan krijg je 108 moleculen (80+28). Van deze hoeveelheid moet 2 ATP worden afgetrokken, die het vetzuur activeerde.
De uiteindelijke vergelijking voor de oxidatie van palmitinezuur zal zijn: palmitoyl-CoA + 16 O2 + 108 Pi + 80 ADP=CoA + 108 ATP + 16 CO2 + 16 H2O.
Berekening van energieafgifte
Energie-uitlaatop het katabolisme van een bepaald vetzuur hangt af van het aantal koolstofeenheden in zijn keten. Het aantal ATP-moleculen wordt berekend met de formule:
[4(n/2 - 1) + n/2×10] - 2, waarbij 4 de hoeveelheid ATP is die tijdens elke cyclus wordt gegenereerd als gevolg van NADH en FADH2, (n/2 - 1) is het aantal cycli, n/2×10 is de energieopbrengst van de oxidatie van acetyl- CoA, en 2 zijn de activeringskosten.
Kenmerken van reacties
Oxidatie van onverzadigde vetzuren heeft enkele eigenaardigheden. De moeilijkheid van het oxideren van ketens met dubbele bindingen ligt dus in het feit dat deze laatste niet kunnen worden blootgesteld aan enoyl-CoA-hydratase vanwege het feit dat ze zich in de cis-positie bevinden. Dit probleem wordt geëlimineerd door enoyl-CoA-isomerase, waardoor de binding een trans-configuratie krijgt. Hierdoor wordt het molecuul volledig identiek aan het product van de eerste fase van bèta-oxidatie en kan het gehydrateerd worden. Sites die alleen enkele bindingen bevatten, oxideren op dezelfde manier als verzadigde zuren.
Soms is enoyl-CoA-isomerase niet genoeg om het proces voort te zetten. Dit geldt voor ketens waarin de cis9-cis12 configuratie aanwezig is (dubbele bindingen aan de 9e en 12e koolstofatomen). Hierbij is niet alleen de configuratie een belemmering, maar ook de positie van de dubbele bindingen in de keten. Dit laatste wordt gecorrigeerd door het enzym 2,4-dienoyl-CoA-reductase.
Katabolisme van oneven vetzuren
Dit type zuur is typerend voor de meeste lipiden van natuurlijke (natuurlijke) oorsprong. Dit zorgt voor een zekere complexiteit, aangezien elke cyclusimpliceert verkorting met een even aantal schakels. Om deze reden gaat de cyclische oxidatie van de hogere vetzuren van deze groep door tot het verschijnen van een 5-koolstofverbinding als een product, dat wordt gesplitst in acetyl-CoA en propionyl-co-enzym A. Beide verbindingen komen in een andere cyclus van drie reacties, waardoor succinyl-CoA wordt gevormd. Hij is het die de Krebs-cyclus binnengaat.
Kenmerken van oxidatie in peroxisomen
In peroxisomen vindt vetzuuroxidatie plaats via een bètamechanisme dat vergelijkbaar, maar niet identiek is aan mitochondriaal. Het bestaat ook uit 4 fasen, met als hoogtepunt de vorming van het product in de vorm van acetyl-CoA, maar het heeft een aantal belangrijke verschillen. Zo herstelt de waterstof die in de dehydrogeneringsfase wordt afgesplitst, de FAD niet, maar gaat deze over in zuurstof onder vorming van waterstofperoxide. De laatste ondergaat onmiddellijk splitsing onder de werking van katalase. Als gevolg hiervan wordt energie die had kunnen worden gebruikt om ATP in de ademhalingsketen te synthetiseren, gedissipeerd als warmte.
Het tweede belangrijke verschil is dat sommige peroxisoom-enzymen specifiek zijn voor bepaalde minder overvloedige vetzuren en niet aanwezig zijn in de mitochondriale matrix.
Kenmerk van peroxisomen van levercellen is dat er geen enzymatisch apparaat is van de Krebs-cyclus. Daarom worden als gevolg van bèta-oxidatie korteketenproducten gevormd, die voor oxidatie naar de mitochondriën worden getransporteerd.
