БЕТА ОКИСЛЯВАНЕ НА МАСТНИ КИСЕЛИНИ: СТЪПКИ, РЕАКЦИИ, ПРОДУКТИ, РЕГУЛИРАНЕ - БИОЛОГИЯ - 2025

В бета окислението на мастни киселини е по маршрута на катаболизма (разграждане) на мастни киселини, чиято основна функция е производството или "освобождаване" на енергията, съдържаща се в връзките на тези молекули.

Този път е открит през 1904 г. благодарение на експериментите, проведени от германския Franz Knoop, който се състои в прилагането на експериментални плъхове на мастни киселини, чиято крайна метилова група е модифицирана с фенилова група.

Диаграма на бета-окисляването на мастни киселини (Източник: Arturo González Laguna чрез Wikimedia Commons)

Knoop очаква продуктите на катаболизма на тези "аналогови" мастни киселини да следват пътища, подобни на пътя на окисляване на нормалните (немодифицирани естествени) мастни киселини. Той обаче откри, че има разлики в получените продукти като функция от броя на въглеродните атоми на мастните киселини.

С тези резултати Knoop предложи разграждането да се случи на "стъпки", като се започне с "атака" върху β въглерода (тази в позиция 3 по отношение на крайната карбоксилна група), освобождавайки фрагменти от два въглеродни атома.

По-късно беше показано, че процесът изисква енергия под формата на АТФ, която се произвежда в митохондриите и че фрагментите от два въглеродни атома влизат в цикъла на Кребс като ацетил-КоА.

Накратко, бета-окисляването на мастни киселини включва активиране на крайната карбоксилна група, транспортиране на активираната мастна киселина в митохондриалната матрица и двукратно въглеродно "стъпаловидно" окисление от карбоксилната група.

Подобно на много анаболни и катаболни процеси, този път е регулиран, тъй като заслужава мобилизирането на "резервни" мастни киселини, когато другите катаболни пътища не са достатъчни за задоволяване на клетъчните и телесните енергийни нужди.

Стъпки и реакции

Мастните киселини са предимно в цитозола, независимо дали те идват от биосинтетични пътища или от мастни натрупвания, които се съхраняват от погълната храна (която трябва да влиза в клетките).

- Активиране на мастни киселини и транспортиране до митохондриите

Активирането на мастни киселини изисква използването на ATP молекула и се свързва с образуването на ацил тиоестерни конюгати с коензим А.

Това активиране се катализира от група ензими, наречени ацетил-CoA лигази, специфични за дължината на веригата на всяка мастна киселина. Някои от тези ензими активират мастните киселини, докато се транспортират в митохондриалната матрица, тъй като са вградени във външната митохондриална мембрана.

Активиране на мастни киселини (Източник: Jag123 в английската Уикипедия чрез Wikimedia Commons)

Процесът на активиране протича на два етапа, като първо се получава ацил аденилат от активираната мастна киселина с АТФ, при което се освобождава пирофосфатна молекула (PPi). Карбоксилната група, активирана от ATP, след това се атакува от тиоловата група на коензим А, образувайки ацил-CoA.

Транслокацията на ацил-КоА през митохондриалната мембрана се постига чрез транспортна система, известна като карнитинска совалка.

- Бета окисляване на наситени мастни киселини с четен брой въглеродни атоми

Разграждането на мастните киселини е цикличен път, тъй като освобождаването на всеки фрагмент от два въглеродни атома веднага се следва от друг, докато достигне цялата дължина на молекулата. Реакциите, които участват в този процес, са следните:

- Дехидрогениране.

- Хидратация на двойна връзка.

- Дехидрогениране на хидроксилна група.

- Раздробяване чрез атаката на ацетил-CoA молекула върху β въглерода.

Реакция 1: първо дехидрогениране

Състои се от образуване на двойна връзка между α-въглерод и β-въглерод чрез елиминиране на два водородни атома. Той се катализира от ензим ацил-CoA дехидрогеназа, който образува молекула на транс-2-еноил-S-CoA и молекула на FAD + (кофактор).

Реакции 2 и 3: хидратация и дехидрогениране

Хидратацията се катализира от еноил-КоА хидратаза, докато дехидрогенирането се медиира от 3-хидроксиацил-КоА дехидрогеназа, като последната реакция зависи от кофактора NAD +.

Хидратацията на транс-2-еноил-S-CoA води до 3-хидроксиацил-CoA, чието дехидрогениране произвежда 3-кетоацил-CoA молекула и NADH + H.

FADH2 и NADH, произведени в първите три реакции на бета-окисление, се реоксидират през електронно-транспортната верига, благодарение на което участват в производството на АТФ, 2 молекули за всеки FADH2 и 3 молекули за всеки NADH.

Реакция 4: фрагментиране

Всеки цикъл на бета-окисляване, който отстранява молекула с два въглеродни атома, завършва с "тиолитичното" разцепване на кето въглерода, който се атакува от коензим А при връзката между α и β въглерода.

Тази реакция се катализира от ензима β-кетотиолаза или тиолаза и нейните продукти са една молекула ацил-КоА (активираната мастна киселина с два по-малко въглеродни атома) и една от ацетил-КоА.

- Бета окисляване на наситени мастни киселини с нечетен брой въглеродни атоми

В мастни киселини с нечетен брой въглеродни атоми (които не са много изобилни), молекулата на последния цикъл на разграждане има 5 въглеродни атома, така че нейната фрагментация произвежда молекула ацетил-КоА (която влиза в цикъла на Krebs) и друг от пропионил-CoA.

Пропионил-КоА трябва да бъде карбоксилиран (реакция зависи от АТФ и бикарбонат) от ензима пропионил-КоА карбоксилаза, като по този начин се образува съединение, известно като D-метилмалонил-КоА, което трябва да бъде епимеризирано до неговата "L" форма.

Бета окисляване на нечетните мастни киселини (Източник: Eleska през Wikimedia Commons)

След това съединението, получено в резултат на епимеризация, се превръща в сукцинил-CoA чрез действието на ензима L-метилмалонил-CoA мутаза и тази молекула, както и ацетил-КоА, навлиза в цикъла на лимонената киселина.

- Бета окисляване на ненаситени мастни киселини

Много клетъчни липиди имат ненаситени вериги на мастни киселини, тоест имат една или повече двойни връзки между техните въглеродни атоми.

Окисляването на тези мастни киселини е малко по-различно от това на наситените мастни киселини, тъй като два допълнителни ензима, еноил-КоА изомераза и 2,4-диеноил-КоА редуктаза са отговорни за елиминирането на тези ненасищания, така че тези мастни киселини може да бъде субстрат за ензима еноил-CoA хидратаза.

Бета окисляване на ненаситени мастни киселини (Източник: Hajime7basketball чрез Wikimedia Commons)

Enoyl-CoA изомеразата действа върху мононенаситени мастни киселини (само с едно ненасищане), междувременно ензим 2,4-диеноил-CoA редуктаза взаимодейства с полиненаситени мастни киселини (с две или повече ненаситени).

- Бета екстрамитохондриално окисляване

Бета окисляването на мастни киселини може да се случи и в други цитозолни органели като пероксизоми, например с разликата, че електроните, които се прехвърлят към FAD +, не се доставят в дихателната верига, а директно в кислорода.

Тази реакция произвежда водороден пероксид (кислородът се редуцира), съединение, което се елиминира от ензима каталаза, специфичен за тези органели.

Продукти на бета окисляване

Окисляването на мастните киселини произвежда много повече енергия от разграждането на въглехидратите. Основният продукт на бета-окисляване е ацетил-КоА, получен във всеки етап от цикличната част от пътя, обаче, други продукти са:

- AMP, H + и пирофосфат (PPi), получени по време на активиране.

- FADH2 и NADH, за всеки произведен ацетил-CoA.

- Succinyl-CoA, ADP, Pi, за неверижни мастни киселини.

Бета окисляване на палмитинова киселина (Източник: ´Rojinbkht чрез Wikimedia Commons)

Ако вземем за пример пълното бета окисляване на палмитинова киселина (палмитат), мастна киселина с 16 въглеродни атома, количеството на произведената енергия е еквивалентно на повече или по-малко 129 молекули АТФ, които идват от 7-те оборота, които тя трябва да завърши. цикълът.

регулиране

Регулацията на бета-окислението на мастните киселини в повечето клетки зависи от енергийната наличност, свързана не само с въглехидратите, но и със самите мастни киселини.

Животните контролират мобилизацията и следователно разграждането на мазнините чрез хормонални стимули, които в същото време се контролират от молекули като cAMP, например.

В черния дроб, основния орган за разграждане на мазнините, концентрацията на малонил-КоА е изключително важна за регулирането на бета-окислението; това е първият субстрат, участващ в пътя на биосинтеза на мастните киселини.

Когато малонил-КоА се натрупва в големи пропорции, той насърчава биосинтезата на мастни киселини и инхибира митохондриалния транспортер или ацил-карнитин совалката. Когато концентрацията му се понижи, инхибирането спира и бета окисляването се активира.

Препратки

1. Mathews, C., van Holde, K., & Ahern, K. (2000). Биохимия (3-то издание). Сан Франциско, Калифорния: Пиърсън.
2. Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Принципи на биохимията на Ленингер. Омега издания (5-то издание).
3. Rawn, JD (1998). Биохимия. Бърлингтън, Масачузетс: Нийл Патерсън Издатели.
4. Schulz, H. (1991). Бета окисляване на мастни киселини. Biochimica et Biophysica Acta, 1081, 109–120.
5. Schulz, H. (1994). Регулиране на окисляването на мастни киселини в сърцето. Критичен преглед, 165–171.
6. Schulz, H., & Kunau, W. (1987). Бета-окисляване на ненаситени мастни киселини: преработен път. TIBS, 403-406.