UTLENIANIE KWASÓW TŁUSZCZOWYCH

(β-oksydacja)

Proces β-oksydacji zachodzi w matrixie mitochondrium u eukariotów i w cytozolu u prokariotów. Kwasy tłuszczowe muszą najpierw w reakcji z udziałem ATP zostać zamienione w aktywny metabolit, aby mogły reagować z enzymami odpowiedzialnymi za ich dalszy metabolizm. W całym szlaku degradacji kwasów tłuszczowych jest to jedyny etap, który wymaga energii zawartej w ATP.

W obecności ATP i CoA, enzym - syntetaza acylo-CoA (tiokinaza) - katalizuje przemianę kwasu tłuszczowego w „aktywny kwas tłuszczowy”, czyli acylo-CoA. Reakcja ta związana jest z wydzieleniem jednego wysokoenergetycznego wiązania fosforanowego.

Obecność pirofosfatazy nieorganicznej sprawia, że aktywacja przebiega do końca dzięki ułatwieniu utraty dodatkowego wysokoenergetycznego wiązania fosforanowego pirofosforanu. Czyli w czasie aktywacji każdej cząsteczki kwasu tłuszczowego są wydzielane 2 wysokoenergetyczne wiązania fosforanowe.

Kwasy tłuszczowe o długim łańcuchu przenikają przez wewnętrzną błonę mitochondrialną w połączeniu z karnityną. Karnityna (β-hydroksy-γ-trimetyloaminomaślan), obficie występuje w mięśniach. Jest syntetyzowana z lizyny i metioniny w wątrobie i nerkach. Aktywacja niższych kwasów tłuszczowych i ich utlenianie może zachodzić w mitochondriach niezależnie od karnityny. W odróżnienu od krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych WKT o długim łańcuchu nie wnikają do mitochondriów i nie są utleniane bez uprzedniego przekształcenia w acylokarnityny.

Enzym, palmitoilotransferaza karnitynowa I, znajdujący się po wewnętrznej stronie błony mitochondrialnej, katalizuje przekształcenie długołańcuchowych acylo-CoA w acylokarnitynę, która przenika do mitochondriów, przez co kwasy tłuszczowe stają się dostępne dla szlaku β-oksydacji. Translokaza karnitynoacylokarnitynowa działa jako błonowy wymienny przenośnik karnityny. Transport acylokarnityny do wnętrza mitochondriów jest sprzężony z przeniesieniem 1 cząsteczki karnityny na zewnątrz. W mitochondriom acylokarnityna reaguje z CoA, w wyniku czego powstają acylo-CoA i wolna karnityna uwalniane do macierzy mitochondrialnej. Reakcja ta jest katalizowana przez palmitoilotransferazę karnitynową II, związaną z wewnętrzną powierzchnią wewnętrznej błony mitochondrialnej.

W β-oksydacji odczepiane są od cząsteczek acylo-CoA, począwszy od końca karbonylowego, reszty dwuwęglowe.

Łańcuch jest rozrywany pomiędzy atomami węgla α (2) i β (3). Powstające jednostki dwuwęglowe to cząsteczki acetylo-CoA. Tak więc z polmitoilo-CoA tworzy się 8 cząsteczek acetylo-CoA.

W cyklicznej sekwencji reakcji są wytwarzane NADH i FADH₂. Kilka enzymów znanych pod nazwą „oksydaza kwasów tłuszczowych”, znajduje się w macierzy mitochondrialnej w pobliżu łańcucha oddechowego. Katalizują one utlenianie acylo-CoA do acetylo-CoA, co wiąże się z fosforylacją ADP do ATP.

Po wniknięciu reszty arylowej przez wewnętrzną błonę mitochondrialną za pośrednictwem układu transportującego karnitynę i po odtworzeniu acylo-CoA, następuje oderwanie 2 atomów wodoru od atomów węgla w pozycji 2,3.

Proces ten katalizowany jest przez dehydroksynazę acylo-CoA. W wyniku tej reakcji powstaje Δ²-trans-enoilo-CoA. Koenzymem tej dehydrogenazy jest flawoproteina zawierająca FAD jako grupę prostetyczną. Reoksydacja tej grupy prostetycznej przez łańcuch oddechowy wymaga pośrednictwa innej flawoproteidy nazwaną flawopreteiną przenoszącą elektrony. Wysycenie podwójnego wiązania i wytworzenie 3-hydroksyacylo-CoA odbywa się przez przyłączenie cząsteczki wody, co katalizowane jest przez enzym hydratazę Δ²-enoilo-CoA. Pochodna 3-hydroksylowa ulega dalszemu odwodorowaniu na węglu 3 pod wpływem dehydrogenazy L(+)-3-hydroksyacylo-CoA. W wyniku tej reakcji powstaje odpowiedni 3-ketoacylo-CoA. W reakcji tej NAD, a nie FAD jest koenzymem uczestniczącym w odwodorowaniu. W końcu 3-ketoacylo-CoA jest rozrywany w pozycji 2,3 przez tiolazę, katalizującą tiolityczne rozerwanie wiązania z udziałem drugiej cząsteczki CoA. Produktami tej reakcji są acetylo-CoA i acylo-CoA zawierający o 2 atomy węgla mniej niż pierwotna cząsteczka acylo-CoA, która ulega utlenienu. Utworzony w reakcji rozszczepienia acylo-CoA ponownie wchodzi w szlak oksydacyjny rozpoczynający się reakcją 2. W ten sposób długi łańcuch kwasu tłuszczowego może zostać całkowicie rozłożony na acetylo-CoA. Ponieważ acetylo-CoA może być utleniony do CO₂ i wody w cyklu kwasy cytrynowego, kwasy tłuszczowe mogą ulegać całkowitemu utlenieniu.

Utlenianie kwasów tłuszczowych o nieparzystej liczbie atomów węgla.

Kwasy tłuszczowe o nieparzystej liczbie atomów węgla są utleniane w szlaku β-oksydacji z wytwarzaniem acetylo-CoA, aż do pozostania trójwęglowej reszty propionylo-CoA. Związek ten jest przekształcany do sukcynylo-CoA, metabolitu będącego związkiem pośrednim cyklu cytrynianowego. Tak więc reszta propionylowa z kwasów tłuszczowych o nieparzystej liczbie atomów węgla jest jedynym fragmentem kwasów tłuszczowych, który jest glukogenny.

β-oksydacja w peroksysomach

W peryksosomach zachodzi zmodyfikowana forma β-oksydacji. Produktami jej są acetylo-CoA i H₂O₂ (nadtlenek wodoru). (H₂O₂ powstaje na etapie działania dehydrogenazy związanej z flowoproteiną). Ten szlak nie jest bezpośrednio powiązany z fosforylacją i wytwarzaniem ATP, ale pomaga utlenić kwasy tłuszczowe o bardzo długim łańcuchu.

Enzymy zawarte w peryksosomach nie atakują kwasów tłuszczowych o krótszym łańcuchu. Sekwencja β-oksydacji kończy się na oktanoilo-CoA. Grupy oktanoilowe i acetylowi są usuwane z peroksysomów w postaci oktanoilo- i acetylokarnityny, a następnie są utleniane w mitochondriach.

α-oksydacja to proces uwalniania po jednym atomie węgla od karboksylowego końca cząsteczki. Proces ten nie wymaga aktywacji kwasów tłuszczowych z udziałem CoA i nie wiąże się z wytwarzaniem ATP, lecz przebiega w obecności tlenu.

ω-oksydacja przypomina proces α-oksydacji z tą różnicą, że utlenieniu ulega ostatni atom węgla kwasu tłuszczowego. Uczestniczą w niej układy hydroksylujące zawierające cytochrom P-450 siateczki środplazmatycznej i NADP, w obecności O₂. Grupa -CH3 jest przekształcana w grupę -CH2OH, a następnie utlenia się do -COOH i w ten sposób powstaje kwas dikarboksylowy. Kwasy dikarboksylowe magą być następnie utleniane w drodze β-oksydacji do kwasu adypinowego i syberynowego, które są wydalane z moczem.

β-oksydacja kwasów tłuszczowych nienasyconych

Nienasycone kwasy tłuszczowe związane estrowo z CoA są degradowane przez enzymy uczestniczące w β-oksydacji, aż do etapu powstania Δ³-cis-acylo-CoA albo Δ⁴-cis-acylo-CoA, zależnie od pozycji podwójnego wiązania. Pierwszy z tych związków jest izomerowany (izomeraza Δ³-cis Δ²-trans-enoilo-CoA) do odpowiedniego etapu Δ²-trans-enoilo-CoA β-oksydacji, aby następnie ulec hydratacji i dalszemu utlenieniu. Każdy Δ⁴-cis-acylo-CoA pozostający w tym szlaku, albo wchodzący w szlak na etapie β-oksydacji jest przekształcany do Δ²-trans- Δ⁴-cis-dienoilo-CoA przez dehydrogenazę acylo-CoA. Ten związek pośredni przekształcany jest do Δ³-trans-enoilo-CoA pod wpływem reduktazy Δ²-trans- Δ⁴-cis-dienoilo-CoA - enzymu zależnego od NADP. Izomeraza Δ³-cis Δ²-trans-enoilo-CoA atakuje również podwójne wiązanie Δ³-trans, powodując powstanie Δ²-trans-enoilo-CoA, związku pośredniego β-oksydacji.

Ciała ketonowe

W pewnych warunkach metabolicznych związanych z dużym natężeniem utleniania kwasów tłuszczowych, wątroba wytwarza znaczne ilości acetooctanu i D(-)-3-hydroksymaślanu. Acetooctan ulega ciągłej samoistnej dekarboksylacji, dając aceton.

Te 3 substancje znane są pod wspólną nazwą ciała ketonowe. Acetooctan i 3-hydroksymaślan są wzajemnie w sobie przekształcane działaniem mitochondrialnego enzymu dehydrogenazy D(-)-3-hydroksymaślanowej. Równowaga tej reakcji jest kontrolowana mitochondrialnym stosunkiem [NAD⁺] do [NADH].

Ciała ketonowe są alternatywnym produktem utleniania wolnych kwasów tłuszczowych w wątrobie, a proces ich powstawania określa się terminem ketogeneza.

Ketogeneza jest regulowana na 3 etapach:

1. pierwsze miejsce kontroli znajduje się w tkance tłuszczowej. Ketogeneza nie wystąpi, jeżeli nie ma równoczesnego zwiększenia stężenia krążących wolnych kwasów tłuszczowych, które pochodzą z liolizy. Tak więc dla kontroli ketogenezy znacząca jest rola czynników regulujących mobilizację wolnych kwasów tłuszczowych z tkanki tłuszczowej.

2. po wstępnej aktywacji WKT do acylo-CoA mogą one zostać zestryfikowane, głównie do triacylogliceroli i fosfolipidów lub ulegają β-oksydacji do CO₂.

3. acetylo-CoA jest utleniany w cyklu kwasu cytrynowego albo wchodzi w szlak ketogenezy wytwarzając ciała ketonowe.

Proporcja acetylo-CoA, napływającego do szlaku ketogenezy i szlaku utleniania do CO₂, jest regulowana tak, że całkowita energia swobodna zgromadzona w postaci ATP w wyniku utlenienia kwasów tłuszczowych pozostaje stała.

8

---