SPALANIE KWASÓW TŁUSZCZOWYCH

1. Lokalizacja komórkowa i tkankowa procesu

Kwasy tłuszczowe powstałe w tkance tłuszczowej w procesie lipolizy zostają przeniesione do tkanek obwodowych przez albuminy osocza. Także i tłuszcze własne tych tkanek ulegają hydrolizie. Spalanie kwasów tłuszczowych jest procesem dostarczającym duże ilości energii. Szczególnie duże znaczenie ma to w mięśniu sercowym i szkieletowym.
Jedynie pierwszy etap przemiany kwasów tłuszczowych - ich aktywacja, zachodzi po cytoplazmatycznej stronie błony mitochondrialnej. Następne reakcje spalania zachodzą wewnątrz mitochondriów. Β-oksydacja może zachodzić również w peroksysomach, natomiast α-oksydacja i ω-oksydacja zachodzą odpowiednio w wątrobie i tkance mózgowej.

2. Atywacja

Aktywacja polega na połączeniu reszty acylowej kwasu tłuszczowego z koenzymem A. Reakcja przebiega pod wpływem tiokinazy, kosztem energii zawartej w ATP. Reakcja zachodzi w dwóch etapach. W pierwszym następuje rozkład ATP i przyłączanie acylu do AMP. W drugim acyl zostaje przeniesiony na wolną grupę sulfhydrylową koenzymu A.

R-COOH + ATP R-CO-AMP + PP
R-CO-AMP + CoA-SH R-CO-CoA + AMP

Istnieją co najmniej trzy tiokinazy, działające na kwasy tłuszczowe o określonej długości łańcucha: tiokinaza octanowa (kwasu octowego, propionowego i oktynowego), średnich łańcuchów (4-12 atomów C) i długich łańcuchów (12-24 C). Dwie ostatnie aktywują zarówno nasycone i nienasycone kwasy tłuszczowe. Tiokinazy są zlokalizowane na zewnętrznej stronie błony mitochondrialnej (zewnętrznej) oraz w retikulum endoplazmatycznym.

3. Transport przez błonę mitochondrialną
   Wewnętrzna błona mitochondrialna jest nieprzepuszczalna zarówno dla wolnych jak i aktywnych acyli. Aby przejść tę barierę, reszty acylowe są przenoszone przez karnitynę. Acylokarnityna łatwo przechodzi przez błonę do matrix. Wewnątrz matrix reszta acylowa jest przenoszona z karnityny na koenzym A (wewnątrzmitochondrialny). Reakcję przenoszenia w obu kierunkach na oraz z karnityny katalizuje transferaza L-karnityno-acylowa.

4. β-oksydacja nasyconych kwasów tłuszczowych: reakcje, enzymy, regulacja, bilans energetyczny

Spalanie kwasów tłuszczowych odbywa się drogą skracania łańcucha węglowego o kolejne reszty dwuwęglowe od strony grupy karboksylowej. Jednocześnie atom węgla trzeci od końca (zwany w dawnej nomenklaturze węglem beta) ulega utlenieniu i aktywacji przez koenzym A. Każdorazowe skrócenie łańcucha poprzedzają cztery reakcje.

1. W pierwszej reakcji acylo-CoA jest utleniany przez dehydrogenazę acylo-CoA, zawierającą FAD. Istnieją trzy takie dehydrogenazy, działające na łańcuchy acylowe zależnie od ich długości.

R-CH₂-CH₂-CO-S-CoA + FAD R-C=C-CO-S-CoA + FADH₂



Konfiguracja produktu reakcji ma bardzo duże znaczenie w następującej reakcji.

2. Hydrataza enoilo-CoA katalizuje reakcję:


R-CH=CH-CO-S-CoA + H₂O R-CH-CH₂-CO-S-CoA



Właściwy produkt reakcji może powstać jedynie z Δ^2,3-transenoilo-CoA. Jest to o tyle ważne, że w naturalnych kwasach tłuszczowych wiązania podwójne występują w konfiguracji cis, a nie trans. W miarę skracania łańcucha powstają z nich reszty enoilowe, zawierające wiązania podwójne w pozycji Δ^3,4 cis lub Δ^2,3 cis. Na pierwsze z nich hydrataza w ogóle nie działa z drugiego zaś powstanie D-hydroksyacyl. Stąd przy utlenianiu naturalnych kwasów nienasyconych potrzebne są dodatkowe enzymy.

3. Następny etap to znów utlenianie, tym razem pod wpływem dehydrogenazy pirydynowej


R-CH-CH₂-CO-S-CoA + NAD R-C-CH₂-CO-S-CoA+NADH₂



Dehydrogenaza 3-hydroksy-acylo-CoA jest nieswoista względem długości łańcucha, ale absolutnie swoista względem formy L substratu.

4. W ostatnim etapie, katalizowanym przez tioketolazę 3-ketoacylo-CoA następuje tioliza i odszczepienie acetylo-CoA

R-CH₂-CO-CH₂-CO-S-CoA + CoA R-CH₂-CO-S-CoA + CH₃-CO-CoA



Istnieją 3 różne ketolazy działające zależnie od długości acylu. Aktywny acyl, krótszy o resztę dwuwęglową przechodzi znów 4 kolejne reakcje i oderwanie acetylo-CoA. Cykl reakcji powtarza się aż do utworzenia 4-węglowego ketokwasu, aceto-acylo-CoA, z którego drogą ketolizy powstają 2 cząsteczki acetylo-CoA

Bilans energetyczny β-oksydacji:
W procesie odszczepienia każdej (oprócz ostatniej) reszty dwuwęglowej zachodzą 2 reakcje utleniania. W pierwszej uczestniczy FAD, w drugiej NAD. W sprzężeniu z tlenową fosforylacją w pierwszym utlenieniu powstają 2, a w drugim - 3 cząsteczki ATP. Reszta acetylowa spala się następnie w cyklu Krebsa, co daje dalszych 12 ATP. Straty na aktywację całego acylu wynoszą jedynie 2 równoważniki ATP

5. β-oksydacja nienasyconych kwasów tłuszczowych

Jak już powiedziano, podwójne wiązania występujące w naturalnych tłuszczach mają zawsze konfigurację cis. Znajdują się one w określonej odległości od grupy karboksylowej: Δ⁹ cis w kwasach: palmitoolejowym, Δ^{9, 12} cis w linolowym i Δ^{9, 12, 15} cis w linolenowym. Spalanie takich kwasów zachodzi bezzakłuceń na drodze beta oksydacji aż do miejsca, gdzie występuje naturalne wiązanie podwójne. Staje się ono zawadą w dalszej przemianie, gdyż jego konfiguracja odbiega od pożądanej Δ^{2, 3} trans.

W przypadku kwasów tłuszczowych o jednym wiązaniu nienasyconym, po oderwaniu dwóch lub trzech cząsteczek acetylo-CoA, wiązanie podwójne ma konfigurację Δ^{3, 4} cis. W tym miejscu konieczne jest zadziałanie pomocniczego enzymu - izomerazy transenoilowej Δ^{3, 4} cis: Δ^{2, 3} trans. Powstały produkt jest już właściwym substratem hydratazy enoilo-CoA i dalsza przemiana przechodzi bez przeszkód.

W wielonasyconych kwasach tłuszczowych pokonanie tej bariery nie wystarcza. Następne wiązanie podwójne staje się kolejną przeszkodą, gdyż będzie ono wprawdzie wystpować między 2 a 3 atomem węgla, ale w konfiguracji cis. Hydrataza enoilowa działa na wiązanie Δ^{2, 3} cis, produktem reakcji jest jednak 3-D-hydroksyacylo-CoA, a nie pożądany L-hydroksyacyl.

Konieczny jest zatem drugi enzym pomocniczy - epimeraza 3-hydroksyacylo-CoA. Katalizuje ona przejście 3-D-hydroksy-acylo-CoA → 3-L-hydroksy-acylo-CoA.

Za pomocą wymienionych pomocniczych enzymów izomeryzujących, wszystkie naturalne nienasycone kwasy tłuszczowe ulegają spaleniu. Zysk energetyczny jest pomniejszony w porównaniu z nasyconymi kwasami o 2 cząsteczki ATP na każde natywne wiązanie podwójne, w którym omija się działanie dehydrogenazy acylo-CoA.

6. α-oksydacja

obejmuje utlenianie kwasów tłuszczowych o długim łańcuchu do 2-hydroksy kwasów tłuszczowych, stanowiących składniki lipidów mózgu, a następnie utlenianie do kwasów tłuszczowych zawierających o jeden atom węgla mniej.

7. ω-oksydacja

obejmuje utlenianie końcowych grup metylowych z wytworzeniem ω-hydroksy kwasów tłuszczowych.

tiokinaza

H

acylo-CoA

Δ^{2, 3}-trans-enoilo-CoA

Δ^{2, 3}-trans-enoilo-CoA

H

OH

3-L-hydroksy-acylo-CoA

OH

O

3-L-hydroksy-acylo-CoA

3-ketoacylo-CoA

acetylo-CoA

3-ketoacylo-CoA₁

acylo-CoA₂

---