BETA OXIDÁCIA MASTNÝCH KYSELÍN: KROKY, REAKCIE, PRODUKTY, REGULÁCIA - BIOLÓGIE - 2026

Beta oxidácie mastných kyselín je trasa katabolizmu (degradácia) mastných kyselín, ktorých hlavnou funkciou je produkcia alebo "uvoľnenie" energie obsiahnutej v väzieb týchto molekúl.

Táto cesta bola objavená v roku 1904 vďaka pokusom uskutočneným nemeckým Franzom Knoopom, ktorý spočíval v podaní mastných kyselín, ktorých konečná metylová skupina bola modifikovaná fenylovou skupinou, experimentálnym potkanom.

Schéma beta oxidácie mastných kyselín (Zdroj: Arturo González Laguna cez Wikimedia Commons)

Knoop očakával, že produkty katabolizmu týchto „analógových“ mastných kyselín budú nasledovať cesty podobné oxidačnej ceste normálnych (nemodifikovaných prírodných) mastných kyselín. Zistil však, že existujú rozdiely v produktoch získaných ako funkcia počtu atómov uhlíka mastných kyselín.

Na základe týchto výsledkov Knoop navrhol, že k degradácii došlo v "krokoch", začínajúc "útokom" na p uhlík (ten v polohe 3 vzhľadom na koncovú karboxylovú skupinu), pričom sa uvoľnili fragmenty dvoch atómov uhlíka.

Neskôr sa ukázalo, že tento proces vyžaduje energiu vo forme ATP, ktorý sa vyrába v mitochondriách, a že fragmenty dvoch atómov uhlíka vstupujú do Krebsovho cyklu ako acetyl-CoA.

Stručne povedané, beta oxidácia mastných kyselín zahŕňa aktiváciu koncovej karboxylovej skupiny, transport aktivovanej mastnej kyseliny do mitochondriálnej matrice a dvojstupňovú oxidáciu uhlíka „stupňovou“ oxidáciou z karboxylovej skupiny.

Podobne ako mnoho anabolických a katabolických procesov je táto cesta regulovaná, pretože si zasluhuje mobilizáciu „rezervných“ mastných kyselín, keď ostatné katabolické cesty nie sú dostatočné na splnenie energetických požiadaviek na bunky a telo.

Kroky a reakcie

Mastné kyseliny sú prevažne v cytozole, či už pochádzajú z biosyntetických ciest alebo z tukových zásob, ktoré sa skladujú z potravy (ktorá musí vstúpiť do buniek).

- Aktivácia mastných kyselín a transport do mitochondrií

Aktivácia mastných kyselín vyžaduje použitie molekuly ATP a súvisí s tvorbou acyltioesterových konjugátov s koenzýmom A.

Táto aktivácia je katalyzovaná skupinou enzýmov nazývaných acetyl-CoA ligázy, ktoré sú špecifické pre dĺžku reťazca každej mastnej kyseliny. Niektoré z týchto enzýmov aktivujú mastné kyseliny, keď sú transportované do mitochondriálnej matrice, pretože sú zabudované do vonkajšej mitochondriálnej membrány.

Aktivácia mastných kyselín (Zdroj: Jag123 na anglickej Wikipédii prostredníctvom Wikimedia Commons)

Proces aktivácie nastáva v dvoch krokoch, najskôr sa vyrobí acyl adenylát z aktivovanej mastnej kyseliny pomocou ATP, kde sa uvoľňuje molekula pyrofosfátu (PPi). Karboxylová skupina aktivovaná ATP je potom napadnutá tiolovou skupinou koenzýmu A za vzniku acyl-CoA.

Translokácia acyl-CoA cez mitochondriálnu membránu sa dosiahne pomocou transportného systému známeho ako rakovina karnitínu.

- Beta oxidácia nasýtených mastných kyselín s párnym počtom atómov uhlíka

Degradácia mastných kyselín je cyklická cesta, pretože po uvoľnení každého fragmentu z dvoch atómov uhlíka je okamžite nasledovaný ďalší, až kým sa nedosiahne celá dĺžka molekuly. Reakcie, ktoré sa podieľajú na tomto procese, sú tieto:

- Dehydrogenácia.

- Hydratácia dvojitej väzby.

- Dehydrogenácia hydroxylovej skupiny.

- Fragmentácia útokom molekuly acetyl-CoA na β uhlík.

Reakcia 1: prvá dehydrogenácia

Pozostáva z vytvorenia dvojitej väzby medzi a-uhlíkom a P-uhlíkom odstránením dvoch atómov vodíka. Je katalyzovaná enzýmom acyl-CoA dehydrogenáza, ktorá tvorí molekulu trans-2-enoyl-S-CoA a molekulu FAD + (kofaktor).

Reakcie 2 a 3: hydratácia a dehydrogenácia

Hydratácia je katalyzovaná enoyl-CoA hydratázou, zatiaľ čo dehydrogenácia je sprostredkovaná 3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenázou a táto posledná reakcia závisí od kofaktora NAD +.

Hydratáciou trans-2-enoyl-S-CoA sa získa 3-hydroxyacyl-CoA, ktorého dehydrogenáciou sa získa molekula 3-ketoacyl-CoA a NADH + H.

FADH2 a NADH produkované v prvých troch reakciách beta oxidácie sa reoxidujú prostredníctvom elektrónového transportného reťazca, vďaka čomu sa podieľajú na produkcii ATP, 2 molekúl pre každú FADH2 a 3 molekúl pre každú NADH.

Reakcia 4: fragmentácia

Každý cyklus beta oxidácie, ktorý odstraňuje molekulu s dvoma atómami uhlíka, končí „tiolytickým“ štiepením keto uhlíka, ktoré je napadnuté koenzýmom A pri väzbe medzi a a P uhlíkmi.

Táto reakcia je katalyzovaná enzýmom β-ketotioláza alebo tioláza a jej produktmi sú jedna molekula acyl-CoA (aktivovaná mastná kyselina s dvoma menšími atómami uhlíka) a jedna z acetyl-CoA.

- Beta oxidácia nasýtených mastných kyselín s nepárnym počtom atómov uhlíka

V mastných kyselinách s nepárnym počtom atómov uhlíka (ktoré nie sú príliš hojné) má molekula posledného degradačného cyklu 5 atómov uhlíka, takže jej fragmentáciou vzniká molekula acetyl-CoA (ktorá vstupuje do cyklu Krebs) a ďalšie z propionyl-CoA.

Propionyl-CoA musí byť karboxylovaný (reakcia závisí od ATP a bikarbonátu) enzýmom propionyl-CoA karboxyláza, čím sa vytvorí zlúčenina známa ako D-metylmalonyl-CoA, ktorá musí byť epimerizovaná na svoju "L" formu.

Beta oxidácia nepárnych číslic mastných kyselín (Zdroj: Eleska prostredníctvom Wikimedia Commons)

Zlúčenina, ktorá je výsledkom epimerizácie, sa potom prevedie na sukcinyl-CoA pôsobením enzýmu L-metylmalonyl-CoA mutázy a táto molekula, ako aj acetyl-CoA, vstupuje do cyklu kyseliny citrónovej.

- Beta oxidácia nenasýtených mastných kyselín

Mnoho bunkových lipidov má reťazce nenasýtených mastných kyselín, to znamená, že medzi svojimi atómami uhlíka majú jednu alebo viac dvojitých väzieb.

Oxidácia týchto mastných kyselín sa trochu líši od oxidácie nasýtených mastných kyselín, pretože za elimináciu týchto nenasýtení sú zodpovedné dva ďalšie enzýmy, enoyl-CoA izomeráza a 2,4-dienoyl-CoA reduktáza, takže tieto mastné kyseliny môže byť substrátom pre enzým enoyl-CoA hydratázu.

Beta oxidácia nenasýtených mastných kyselín (Zdroj: Hajime7basketball prostredníctvom Wikimedia Commons)

Enoyl-CoA izomeráza pôsobí na mononenasýtené mastné kyseliny (iba s jednou nenasýtenosťou), zatiaľ čo enzým 2,4-dienoyl-CoA reduktáza reaguje s polynenasýtenými mastnými kyselinami (s dvoma alebo viacerými nenasýteniami).

- Beta extramitochondriálna oxidácia

Oxidácia beta mastných kyselín sa môže vyskytovať aj vo vnútri iných cytosolových organel, ako sú napríklad peroxizómy, s tým rozdielom, že elektróny, ktoré sa prenášajú na FAD +, sa nedodávajú do respiračného reťazca, ale priamo do kyslíka.

Táto reakcia vytvára peroxid vodíka (kyslík je redukovaný), zlúčenina, ktorá je eliminovaná katalázovým enzýmom, špecifickým pre tieto organely.

Produkty oxidácie beta

Oxidácia mastných kyselín produkuje oveľa viac energie ako rozklad uhľohydrátov. Hlavným produktom beta oxidácie je acetyl-CoA produkovaný v každom kroku cyklickej časti cesty, avšak ďalšie produkty sú:

- AMP, H + a pyrofosfát (PPi), produkovaný počas aktivácie.

- FADH2 a NADH pre každý vyrobený acetyl-CoA.

- Succinyl-CoA, ADP, Pi pre mastné kyseliny s nepárnym reťazcom.

Beta oxidácia kyseliny palmitovej (Zdroj: „Rojinbkht prostredníctvom Wikimedia Commons)

Ak vezmeme ako príklad úplnú beta oxidáciu kyseliny palmitovej (palmitátu), mastnej kyseliny so 16 atómami uhlíka, množstvo vyrobenej energie je ekvivalentné s viac alebo menej 129 molekulami ATP, ktoré pochádzajú zo 7 otáčok, ktoré musí dokončiť. cyklus.

predpis

Regulácia oxidácie beta mastných kyselín vo väčšine buniek závisí od dostupnosti energie, ktorá sa netýka iba uhľohydrátov, ale aj samotných mastných kyselín.

Zvieratá riadia mobilizáciu a tým aj odbúravanie tukov pomocou hormonálnych stimulov, ktoré sú súčasne riadené molekulami, ako je napríklad cAMP.

V pečeni, hlavnom orgáne rozkladu tuku, je koncentrácia malonyl-CoA mimoriadne dôležitá pre reguláciu oxidácie beta; toto je prvý substrát zahrnutý v biosyntetickej ceste mastnej kyseliny.

Keď sa malonyl-CoA akumuluje vo veľkých množstvách, podporuje biosyntézu mastných kyselín a inhibuje mitochondriálny transportér alebo acylkarnitínový kyvadlový systém. Keď sa jeho koncentrácia zníži, inhibícia prestane a aktivuje sa oxidácia beta.

Referencie

1. Mathews, C., van Holde, K., & Ahern, K. (2000). Biochemistry (3. vydanie). San Francisco, Kalifornia: Pearson.
2. Nelson, DL, a Cox, MM (2009). Lehningerove princípy biochémie. Vydania Omega (5. vydanie).
3. Rawn, JD (1998). Biochémie. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson Publishers.
4. Schulz, H. (1991). Beta oxidácia mastných kyselín. Biochimica et Biophysica Acta, 1081, 109-120.
5. Schulz, H. (1994). Regulácia oxidácie mastných kyselín v srdci. Critical Review, 165–171.
6. Schulz, H., & Kunau, W. (1987). Beta-oxidácia nenasýtených mastných kyselín: revidovaná cesta. TIBS, 403 - 406.