BETA OKSYDACJA KWASÓW TŁUSZCZOWYCH.

Wilk Barbara

II Semestr

Studia niestacjonarne

Fizjoterapia

Nr.indeksu 52632

Kwasy tłuszczowe zbudowane są z łańcucha węglowodorowego i końcowej grupy karboksylowej.Większość naturalnie występujacych kwasów tłuszczowych zawiera parzystą liczbę atomów wegla,tworząc nierozgałęziony łańcuch.W łańcuchach zazwyczaj występuje od 12 do 24 atomów węgla, przy czym najczęściej występujące kwasy tłuszczowe zawierają 16 lub 18 atomów węgla. W nasyconych kwasach tłuszczowych wszystkie atomy węgla w łańcuchach są nasycone atomami wzoru :

H H H H H H H H H H H H H H H O

| | | | | | | | | | | | | | | ⁄⁄

H–C – C – C – C – C – C – C – C – C – C – C – C – C – C – C – C

| | | | | | | | | | | | | | | \

H H H H H H H H H H H H H H H O^-

Rys.1.Budowa nasyconego kwasu tłuszczowego.

Ogólny wzór strukturalny tego kwasu ma postać CH₃(CH₂)^­_nCOOH,gdzie ‘n’ jest liczbą parzystą.W jednonienasyconych kwasach tłuszczowych występuje tylko jedno wiązanie podwójne,natomiast wielonienasycone kwasy tłuszczowe zawwierają dwa lub więcej wiązań odwójnych.Wiązania podwójne w wielonienasyconych kwasach tłuszczowych są oddzielone przez co najmniej jedną grupą metylenową.

Właściwości kwasów tłuszczowych zależa od długości łańcucha i liczby wiązań podwójnych.Kwasy tłuszczowe które posiadają krótsze łańcuchy mają niższą temperaturę topnienia niż kwasy o dłuższych łańcuchach .

Nazwy kwasów tłuszczowych uwzgłedniają całkowitą liczbę atomów węgla oraz liczbę i umiejscowienie podwójnych wiązań.Nazwy kwasów tłuszczowych tworzy się dodając do nazwy wyjściowej węglowodoru określenie _„kwas” i końcówkę _„-owy”.

Kwasy tłuszczowe pełnią cztery podstawowe funkcje biologiczne tj:

1. Wykorzystywane są w syntezie sfingolipidów oraz glicerofosfolipidów, które są składnikami błon biologicznych.

2. Niektóre białka są kowalencyjnie modyfikowane poprzez kwasy tłuszczowe.

3. Pochodne kwasów tłuszczowych pełnią funkcje wtórnych cząsteczek sygnalizacyjnych i hormonów.

4. Są również materiałem energetycznym,magazynowanym w postaci triacylogliceroli.Ich rozkład prowadzi do uwalniania energii.

Rozpad kwasów tłuszczowych polega na utlenianiu kwasów tłuszczowych o długich łańcuchach. Kwasy tłuszczowe są najpierw przekształcane w pochodne w postaci acylo-koenzymu A (acylo-CoA) a następnie rozkładane przez kolejne usuwanie jednostek dwuwęglowych w postaci acetylo-CoA z końca kwasu tłuszczowego.W procesie tym powstają : FADH₂ i NADH. Acetylo-CoA może być skierowany do cyklu kwasu cytrynowego,co umożliwia dalsze powstawanie FADH₂ i NADH.Te następnie są utleniane przez łańcuch transportu elektronów ,co prowadzi do powstania ATP.

Rozpad kwasów tłuszczowych zachodzi w cytozolu komórek prokariotycznych i w matriks mitochondrialnej komórek eukariotycznych.Zanim kwas tłuszczowy dotrze do matriks,ulega aktywacji przez utworzenie wiązania tioestrowegoz CoA.Reakcja ta zużywa cząsteczkę ATP i jest katalizowana przez syntezę acylo-CoA,która jest umiejcowiona na zewnętrznej błonie mitochondrialnej.

Omawiana reakcja jest nieodwracalna:

O O

⁄⁄ ||

R – C + ATP + HS – CoA < = > R― C―S ―CoA + AMP + PP₁

\ synteza

O^{- acylo-CoA}

Rys.2 .Aktywacja kwasu tłuszczowego.

Czasteczki acylo-CoA o średnich i krótkich łańcuchach łatwo przenikają przez wewnętrzną błonę mitochondrialną .Przejście cząsteczek acylo-CoA o dłuższych łańcuchach przez wewnętrzną błonę mitochondrialną wymaga udziału mechanizmu transportu.Reszty acylowe cząsteczek acylo-CoA o długich łańcuchach przekraczają wewnętrzną błonę po sprzężeniu z polarną cząsteczką karnityny.Następnie translokaza karnityna/acylokarnityna transportuje acylokarnitynę przez wewnętrzną błonę mitochondrialną.Translokaza przenosi czasteczki acylokarnityny do matriks mitochondrialnej ,gdzie cząsteczki karnityny są uwalniane. Tę rekacje katalizuje acylotransferaza karnitynowa II,która znajduje się na wewnętrznej błonie mitochondrialnej od strony matriks.

Rys.3. Transport kwasu tłuszczowego przez wewnętrzną

błonę mitochondrialną.

Wieloetapowy rozkład enzymatyczny kwasów tłuszczowych odkrył w 1904 roku niemiecki chemik Franz Knoop (1875-1946).

Cykl β-oksydacji kwasów tłuszczowych obejmuje następujące reakcje:

1. Utlenienie acylo-CoA do enoilo-CoA, zawierającego w łańcuchu kwasu tłuszczowego wiązanie podwójne trans-∆_­­­­²,czemu towarzyszy powstanie FADH₂,(rekacja która jest katalizowana przez dehydrogenazę aclo-CoA).

2. Uwodnienie trans ∆²-enoilo-CoA do 3-hydroksyacylo-CoA(reakcja katalizowana przez hydratazę enoilo-CoA).

3. Utlenianie 3-hydroksyacylo-CoA do 3-ketoacylo-CoA,czemu towarzyszy powstanie NADH(ta reakcja katalizowana jest przez dehydrogenazę hydroksyacylo-CoA).

4. Rozszczepienie lub tioliza 3-ketoacylo-CoA przez drugą cząsteczkę CoA, które prowadzą do powstania acetylo-CoA i acylo-CoA, skróconego o dwa atomy węgla(reakcja ta katalizowana jest przez β-ketotiolazę).

Rozapad poszczególnych kwasów tłuszczowych obejmuje powtarzającą się sekwencję czterech reakcji tj:

-utlenianie(przez FAD),

-uwodnienie,

-utlenienie(przez NAD⁺)

-tioliza.

Reakcje te tworzą cykl degradacji kwasu tłuszczowego, a ich skutkiem jest usuwanie po kolei jednostek dwuwęglowych w postaci acetylo-CoA z końca łańcucha kwasu tłuszczowego.

Rys. 4.Podsumowanie reakcji zachodzących podczas

rozkładu kwasów tłuszczowych.

Nazwa β-oksydaja,jest stosowana dla rozpadu kwasów tłuszczowych,wywodzi się że w tym procesie dochodzi do roszczepienia wiązania ∆² znajdującego się w łańcuchu kwasu tłuszczowego.Cząsteczka skróconego acylo-CoA podlega dalszym obrotom cyklu β-oksydacji,aż do ostatniego obrotu, w którym acylo-CoA z czterema atomami wegla jest rozszczepiany na dwie cząsteczki acetylo-CoA.Nasycony acylo-CoA C16, taki jak palmitoilo-CoA,ulega całkowitemu rozpadowi do ośmiu cząsteczek acetylo-CoA w siedmiu obrotach cyklu degradacji,co można zapisać w postaci całościowego równania:

Palmitoilo-CoA + 7 FAD + 7NAD⁺ + 7CoA + 7 H₂O―>

―> 8 acetylo-CoA + 7 FADH₂ + 7 NADH + 7 H⁺

W mitochondriach znajdują się trzy dehydrogenazy acylo-CoA, działające na acylo-CoA o krótkich,długich i średnich łańcuchach.Pozostałe enzymy cyklu,tj. hydrataza enoilo-CoA, β-ketotiolaza,dehygrogenaza hydroksyacylo-CoA występują w jednej wersji, wykazjują dużą specyficność, niezależną od długości łańcucha acylowego.

U zwierząt acetylo-CoA powstały w wyniku degradacji kwasów tłuszczowych nie może zostać przekształcony w pirogronian lub szczawiooctan.Z acetylo-CoA zostają wprowadzone do cyklu kwasu cytrynowego dwa atomy węgla,obydwa ulegają utlenieniu co CO₂ w reakcjach katalizowanych przez dehydrogenazę izocytrynianową .Dlatego u zwierząt acetylo-CoA powstały w wyniku degradacji kwasów tłuszczowych nie może zostać przekształcony w glukozę.Natomiast u roślin występują dwa dodatkowe enzymy,liaza izocytrynianowa i syntaza jabłczanowa,które umoliwiają roślinom wykorzystanie atomów węgla acetylo-CoA do syntezy szczawiooctanu. Temu celowi służy cykl glioksalowy,obejmujący enzymy umiejscowione w mitochondrisch i występujących u roślin wyspecjalizowanych organellach błonowych nazywanych glioksysomami.

Nienasycone kwasy tłuszczowe wymagają dodatkowej obróbki,zanim zostaną całkowicie rozłożone na drodze β –oksydacji.Cząsteczkiacylo-CoA z nienasyconymi łańcuchami kwasów tłuszczowych,które zawierają wiązania podwójne przy nieparzystych atomach węgla (przykładem może być wiązenie między C-9 i C-10w palmitooleinianie). Podlegają normalnym obrotom cyklu do momentu pojawinia się cis-∆³-enoilo-CoA,który powstaje na końcu trzeciego obrotu.Związek ten nie jest dobrym substratem do dehydrogenazy acylo-CoA,ponieważ obecności podwójnego wiązania między C-3 i C-4 uniemożliwia powstawanie kolejnego wiązania podwójnego pomiędzy C-2 i C-3.Taki problem zostaje pokonany przez izomerazy,która przekształca wiązanie cis-∆³ w wiązanie podwójne trans-∆².Powstający w ten sposób trans-∆²-enoilo-CoA ulega dalszemu rozkładowi na drodze β-oksydacji.

Rys.5. Dodatkowe enzymy niezbędne w metabolizmie nienasyconych

kwasów tłuszczowych.

Utlenienie wielonienasyconych kwasów tłuszczowych które zawierają wiązania podwójne przy parzystych atomach węgla wymaga udziału drugiego,obok izomerazy,enzymu.Jest nim redukataza 2,4-dienoilo-CoA,która przekształca powstały związek pośredni w cis-∆³-enoilo-CoA. Ten związek z kolei jest przekształcany przez izomerazę w formę trans,której dalsz obróbka przebiega klasyczna drogą β-oksydacji.

Kwasy tłuszczowe o nieparzystej liczbie atomów węgla również ulegają rozpadowi na drodze β-oksydacji,tak samo jak kwasy tłuszczowe z parzystą liczbą atomów węgla.Występuje jedna różnica która polega na tym , że w ostatnim obrocie cyklu pięciowęglowy związek przejściowy w postaci acylo-CoA jest rozszczepiany na cząsteczkę C3 propionylo-CoA i cząsteczkę C2 actylo-CoA.

Głównym sposobem kontroli β-oksydacji jest dostępność kwasów tłuszczowych.Podstawowym źródłem kwasów tłuszczowych we krwi jest rozpad triacylogliceroli,które sa magazynowane w tkance tłuszczowej.Rozpad i synteza kwasów tłuszczowych są regulowane w sposób skoordynowany,co zapobiega jałowemu przebiegowi cyklu.

Utlenianie nienasyconych kwasów tłuszczowych prowadzi do powstania mniejszej liczby cząsteczek ATP.Degradacja tych związków na drodze

β-oksydacji wymaga udziału dodatkowych reakcji,które zużywają NADPH .

Jeżeli poziom acetylo-CoA którey powstaje w wyniku β-oksydacji jest dużo wyższy niż wymagany jest przekształcany w acetooctan i D-3-hydroksymaślan w procesie ketogenezy.

Rys. 6. Przekształcanie acetylo-CoA w acetooctan,aceton

i D-3-hydroksymaślan ciał ketonowych.

Wyróżniamy 3 ciała ketonowe: aceton, kwas acetooctowy i kwas 3-hydroksymasłowy. Mogą być one wykorzystywane przez tkanki pozawątrobowe jako źródło energii, ale, jeśli mimo to, ich stężenie we krwi jest wysokie, to mamy do czynienia ze stanem patologicznym - kwasicą ketonową.
Nieleczona kwasica ketonowa jest groźna i poprzez stany osłabienia, zaburzeń świadomości i śpiączki, prowadzi do zgonu.

β-oksydacja jest procesem który dostarcza:

1. Równoważników redukcyjnych (po cząsteczce FADH₂ i NADH na każdy "obrót cyklu") służących w łańcuchu oddechowym wytworzeniu ATP,

2. Acetylo-CoA do cyklu Krebsa służącemu wytworzeniu ATP,

3. W wątrobie substratów do syntezy ciał ketonowych, zwłaszcza w przypadku zaburzeń (cukrzyca) gospodarki cukrami (szczawiooctan, metabolit pośredni cyklu Krebsa, powstaje z jednego z intermediantów glikolizy).