Iga organismi elutegevuse põhitingimus on pidev varustamine energiaga, mis kulub erinevatele rakuprotsessidele. Samas ei saa teatud osa toiteühenditest koheselt ära kasutada, vaid saab muuta varuks. Sellise reservuaari rolli täidavad rasvad (lipiidid), mis koosnevad glütseroolist ja rasvhapetest. Viimaseid kasutab rakk kütusena. Sel juhul oksüdeeritakse rasvhapped CO2 ja H2O.
Rasvhapete põhiained
Rasvhapped on erineva pikkusega süsinikahelad (4 kuni 36 aatomit), mis on keemiliselt klassifitseeritud karboksüülhapeteks. Need ahelad võivad olla kas hargnenud või hargnemata ja sisaldada erinevat arvu kaksiksidemeid. Kui viimased puuduvad täielikult, nimetatakse rasvhappeid küllastunud (tüüpiline paljudele loomset päritolu lipiididele) ja muidu -küllastumata. Kaksiksidemete paigutuse järgi jagunevad rasvhapped monoküllastumata ja polüküllastumata.
Enamik ahelaid sisaldab paarisarv süsinikuaatomeid, mis on tingitud nende sünteesi eripärast. Siiski on paaritu arvu linkidega ühendusi. Nende kahe tüüpi ühendite oksüdatsioon on veidi erinev.
Üldomadused
Rasvhapete oksüdatsiooniprotsess on keeruline ja mitmeastmeline. See algab nende tungimisega rakku ja lõpeb hingamisahelaga. Samal ajal kordavad viimased etapid tegelikult süsivesikute katabolismi (Krebsi tsükkel, transmembraanse gradiendi energia muundumine makroergiliseks sidemeks). Protsessi lõppsaadused on ATP, CO2 ja vesi.
Rasvhapete oksüdatsioon eukarüootses rakus toimub mitokondrites (kõige iseloomulikum lokaliseerimiskoht), peroksisoomides või endoplasmaatilises retikulumis.
Oksüdatsiooni liigid (tüübid)
Rasvhapete oksüdatsiooni on kolme tüüpi: α, β ja ω. Enamasti kulgeb see protsess β-mehhanismi kaudu ja lokaliseerub mitokondrites. Oomega-rada on β-mehhanismi väike alternatiiv ja see viiakse läbi endoplasmaatilises retikulumis, samas kui alfa-mehhanism on iseloomulik ainult ühte tüüpi rasvhapetele (fütaanhape).
Rasvhapete oksüdatsiooni biokeemia mitokondrites
Mugavuse huvides on mitokondriaalse katabolismi protsess tavapäraselt jagatud kolmeks etapiks:
- aktiveerimine ja transport mitokondritesse;
- oksüdatsioon;
- Moodustunud atsetüülkoensüüm A oksüdatsioon läbi Krebsi tsükli ja elektrilise transpordiahela.
Aktiveerimine on ettevalmistav protsess, mis muudab rasvhapped biokeemilisteks muundamisteks kättesaadavaks vormiks, kuna need molekulid ise on inertsed. Lisaks ei suuda nad ilma aktiveerimiseta läbi mitokondriaalsete membraanide tungida. See etapp toimub mitokondrite välismembraanil.
Tegelikult on oksüdatsioon protsessi võtmeetapp. See sisaldab nelja etappi, mille järel rasvhape muundatakse atsetüül-CoA molekulideks. Sama toode moodustub süsivesikute kasutamisel, nii et järgnevad etapid on sarnased aeroobse glükolüüsi viimaste etappidega. ATP moodustumine toimub elektronide transpordiahelas, kus elektrokeemilise potentsiaali energiat kasutatakse makroergilise sideme moodustamiseks.
Rasvhapete oksüdatsiooni protsessis tekivad lisaks atsetüül-CoA-le ka NADH ja FADH molekulid2, mis sisenevad ka hingamisahelasse elektronide doonoritena. Selle tulemusena on lipiidide katabolismi koguenergia väljund üsna kõrge. Näiteks palmitiinhappe oksüdeerimine β-mehhanismi abil annab 106 ATP molekuli.
Aktiveerimine ja mitokondriaalsesse maatriksisse ülekandmine
Rasvhapped ise on inertsed ega oksüdeeru. Aktiveerimine viib need biokeemilisteks transformatsioonideks kättesaadavasse vormi. Lisaks ei saa need molekulid muutumatul kujul mitokondritesse siseneda.
Aktiveerimise olemus onrasvhappe muundamine selle atsüül-CoA-tioestriks, mis seejärel oksüdeerub. Seda protsessi viivad läbi spetsiaalsed ensüümid - tiokinaasid (atsüül-CoA süntetaasid), mis on kinnitatud mitokondrite välismembraanile. Reaktsioon kulgeb kahes etapis, mis on seotud kahe ATP energiakuluga.
Aktiveerimiseks on vaja kolme komponenti:
- ATF;
- HS-CoA;
- Mg2+.
Esiteks, rasvhape reageerib ATP-ga, moodustades atsüladenülaadi (vaheühend). See omakorda reageerib HS-CoA-ga, mille tioolrühm tõrjub välja AMP, moodustades karboksüülrühmaga tioeetersideme. Selle tulemusena moodustub aine atsüül-CoA – rasvhappe derivaat, mis transporditakse mitokondritesse.
Transport mitokondritesse
Seda etappi nimetatakse ümberesterdamiseks karnitiiniga. Atsüül-CoA ülekanne mitokondriaalsesse maatriksisse toimub läbi pooride karnitiini ja spetsiaalsete ensüümide - karnitiini atsüültransferaaside - osalusel.
Membraanide kaudu transportimiseks asendatakse CoA karnitiiniga, moodustades atsüülkarnitiini. See aine transporditakse maatriksisse atsüül-karnitiini/karnitiini transporteri hõlbustatud difusiooni abil.
Mitokondrite sees toimub pöördreaktsioon, mis seisneb võrkkesta eraldumises, mis siseneb uuesti membraanidesse, ja atsüül-CoA taastumises (sel juhul kasutatakse "lokaalset" koensüümi A ja mitte see, millega side tekkisaktiveerimisetapis).
Rasvhapete oksüdatsiooni peamised reaktsioonid β-mehhanismi abil
Lihtsaim rasvhapete energiakasutuse liik on kaksiksideteta ahelate β-oksüdatsioon, milles süsinikuühikute arv on paaris. Nagu eespool märgitud, on selle protsessi substraadiks atsüülkoensüüm A.
Rasvhapete β-oksüdatsiooniprotsess koosneb neljast reaktsioonist:
- Dehüdrogeenimine on vesiniku eraldamine β-süsiniku aatomist kaksiksideme moodustumisega α- ja β-asendis (esimene ja teine aatom) paiknevate ahelalülide vahel. Selle tulemusena moodustub enoüül-CoA. Reaktsiooniensüümiks on atsüül-CoA dehüdrogenaas, mis toimib koos koensüümiga FAD (viimane redutseeritakse FADH2-ks).
- Hüdraatsioon on veemolekuli lisamine enoüül-CoA-le, mille tulemusena moodustub L-β-hüdroksüatsüül-CoA. Teostatud enoüül-CoA-hüdrataasiga.
- Dehüdrogeenimine – eelmise reaktsiooni produkti oksüdeerimine NAD-sõltuva dehüdrogenaasi toimel β-ketoatsüülkoensüümi A moodustumisega. Sel juhul redutseeritakse NAD NADH-ks.
- β-ketoatsüül-CoA lõhustamine atsetüül-CoA-ks ja 2-süsinikuga lühendatud atsüül-CoA-ks. Reaktsioon viiakse läbi tiolaasi toimel. Eeltingimuseks on tasuta HS-CoA olemasolu.
Siis algab kõik uuesti esimese reaktsiooniga.
Kõigi etappide tsükliline kordamine viiakse läbi seni, kuni rasvhappe kogu süsinikuahel muundatakse atsetüülkoensüümi A molekulideks.
Atsetüül-CoA ja ATP moodustumine palmitoüül-CoA oksüdatsiooni näitel
Iga tsükli lõpus moodustuvad atsüül-CoA, NADH ja FADH2 molekulid ühes koguses ning atsüül-CoA-tioeetri ahel lüheneb kahe aatomi võrra. Elektronide ülekandmisel elektrotranspordi ahelasse annab FADH2 poolteist ATP molekuli ja NADH kaks. Selle tulemusena saadakse ühest tsüklist 4 ATP molekuli, arvestamata atsetüül-CoA energiasaagist.
Palmitiinhappe ahelas on 16 süsinikuaatomit. See tähendab, et oksüdatsioonifaasis tuleks läbi viia 7 tsüklit kaheksa atsetüül-CoA moodustumisega ning NADH ja FADH2 energiasaagis on sel juhul 28 ATP molekuli (4 × 7). Atsetüül-CoA oksüdatsioon läheb ka energia moodustumiseks, mis salvestub Krebsi tsükli produktide elektritranspordiahelasse sisenemise tulemusena.
Oksüdatsioonietappide ja Krebsi tsükli kogusaagis
Atsetüül-CoA oksüdatsiooni tulemusena saadakse 10 ATP molekuli. Kuna palmitoüül-CoA katabolism annab 8 atsetüül-CoA, on energiasaagis 80 ATP (10 × 8). Kui lisate selle NADH ja FADH2 oksüdatsiooni tulemusele, saate 108 molekuli (80+28). Sellest kogusest tuleks lahutada 2 ATP-d, mis läksid rasvhappe aktiveerimiseks.
Palmitiinhappe oksüdatsiooni lõppvõrrand on järgmine: palmitoüül-CoA + 16 O2 + 108 Pi + 80 ADP=CoA + 108 ATP + 16 CO2 + 16 H2O.
Energia vabanemise arvutamine
Energia väljalaskesüsteemkonkreetse rasvhappe katabolism sõltub süsinikuühikute arvust selle ahelas. ATP molekulide arv arvutatakse järgmise valemiga:
[4 (n/2 - 1) + n/2 × 10] - 2, kus 4 on NADH ja FADH2 tõttu iga tsükli jooksul tekkiv ATP kogus, (n/2 - 1) on tsüklite arv, n/2 × 10 on atsetüül- oksüdatsiooni energiasaagis CoA ja 2 on aktiveerimise kulu.
Reaktsioonide omadused
Küllastumata rasvhapete oksüdatsioonil on mõned iseärasused. Seega seisneb kaksiksidemetega ahelate oksüdeerimise raskus selles, et viimased ei saa enoüül-CoA-hüdrataasi toimele sattuda, kuna need on cis-asendis. Selle probleemi kõrvaldab enoüül-CoA isomeraas, mille tõttu side omandab trans-konfiguratsiooni. Selle tulemusena muutub molekul täielikult identseks beeta-oksüdatsiooni esimese etapi produktiga ja võib läbida hüdratatsiooni. Ainult üksiksidemeid sisaldavad kohad oksüdeeruvad samamoodi nagu küllastunud happed.
Mõnikord ei piisa protsessi jätkamiseks enoüül-CoA-isomeraasist. See kehtib ahelate kohta, milles esineb cis9-cis12 konfiguratsioon (kaksiksidemed 9. ja 12. süsinikuaatomi juures). Siin ei ole takistuseks mitte ainult konfiguratsioon, vaid ka kaksiksidemete asukoht ahelas. Viimast korrigeerib ensüüm 2,4-dienoüül-CoA reduktaas.
Igatute rasvhapete katabolism
Seda tüüpi happed on tüüpilised enamikule looduslikku (looduslikku) päritolu lipiididele. See loob teatud keerukuse, kuna iga tsükkeltähendab lühendamist paarisarvu linkide võrra. Sel põhjusel jätkub selle rühma kõrgemate rasvhapete tsükliline oksüdatsioon kuni saadusena ilmub 5-süsinikuga ühend, mis lõhustatakse atsetüül-CoA-ks ja propionüül-koensüümiks A. Mõlemad ühendid sisenevad teise kolme reaktsiooni tsüklisse., mille tulemusena moodustub suktsinüül-CoA. Tema on see, kes siseneb Krebsi tsüklisse.
Oksüdatsiooni omadused peroksisoomides
Peroksisoomides toimub rasvhapete oksüdatsioon beetamehhanismi kaudu, mis on sarnane, kuid mitte identne mitokondriaalsele. See koosneb ka neljast etapist, mis kulmineeruvad toote moodustumisega atsetüül-CoA kujul, kuid sellel on mitmeid olulisi erinevusi. Seega ei taasta dehüdrogeenimise etapis eraldatud vesinik FAD-i, vaid läheb hapnikku koos vesinikperoksiidi moodustumisega. Viimane läbib kohe katalaasi toimel lõhustamise. Selle tulemusena hajub energia, mida oleks võinud kasutada ATP sünteesimiseks hingamisahelas, soojusena.
Teine oluline erinevus on see, et mõned peroksisoomi ensüümid on spetsiifilised teatud vähem levinud rasvhapetele ja neid ei esine mitokondriaalses maatriksis.
Maksarakkude peroksisoomide eripära on see, et puudub Krebsi tsükli ensümaatiline aparaat. Seetõttu tekivad beetaoksüdatsiooni tulemusena lühikese ahelaga produktid, mis transporditakse oksüdatsiooniks mitokondritesse.
