Jebkura organisma dzīvības galvenais nosacījums ir nepārtraukta enerģijas piegāde, kas tiek tērēta dažādiem šūnu procesiem. Tajā pašā laikā noteiktu daļu uzturvielu savienojumu nevar izmantot uzreiz, bet var pārvērst rezervēs. Šāda rezervuāra lomu veic tauki (lipīdi), kas sastāv no glicerīna un taukskābēm. Pēdējos šūnas izmanto kā degvielu. Šajā gadījumā taukskābes tiek oksidētas līdz CO2 un H2O.
Taukskābju pamatvielas
Taukskābes ir dažāda garuma oglekļa ķēdes (no 4 līdz 36 atomiem), kuras ķīmiski klasificē kā karbonskābes. Šīs ķēdes var būt sazarotas vai nesazarotas un satur dažādu skaitu dubultsaišu. Ja pēdējo pilnībā nav, taukskābes sauc par piesātinātām (raksturīgas daudziem dzīvnieku izcelsmes lipīdiem), un citādi -nepiesātināts. Pēc dubultsaišu izvietojuma taukskābes iedala mononepiesātinātajās un polinepiesātinātajās.
Lielākā daļa ķēžu satur pāra skaitu oglekļa atomu, kas ir saistīts ar to sintēzes īpatnībām. Tomēr ir savienojumi ar nepāra skaitu saišu. Šo divu veidu savienojumu oksidēšanās ir nedaudz atšķirīga.
Vispārīgās īpašības
Taukskābju oksidēšanās process ir sarežģīts un daudzpakāpju. Tas sākas ar to iekļūšanu šūnā un beidzas ar elpošanas ķēdi. Tajā pašā laikā pēdējie posmi faktiski atkārto ogļhidrātu katabolismu (Krebsa cikls, transmembrānas gradienta enerģijas pārvēršana makroerģiskā saitē). Procesa galaprodukti ir ATP, CO2 un ūdens.
Taukskābju oksidēšana eikariotu šūnā tiek veikta mitohondrijās (raksturīgākā lokalizācijas vieta), peroksisomās vai endoplazmatiskajā retikulumā.
Oksidācijas veidi (veidi)
Ir trīs taukskābju oksidācijas veidi: α, β un ω. Visbiežāk šis process notiek ar β-mehānismu un lokalizējas mitohondrijās. Omega ceļš ir neliela alternatīva β-mehānismam, un to veic endoplazmatiskajā retikulumā, savukārt alfa mehānisms ir raksturīgs tikai viena veida taukskābēm (fitānskābei).
Taukskābju oksidācijas bioķīmija mitohondrijās
Ērtības labad mitohondriju katabolisma procesu parasti iedala 3 posmos:
- aktivizēšana un transportēšana uz mitohondrijiem;
- oksidācija;
- veidotā acetilkoenzīma A oksidēšana caur Krebsa ciklu un elektriskās transportēšanas ķēdi.
Aktivizācija ir sagatavošanās process, kas pārveido taukskābes tādā formā, kas ir pieejama bioķīmiskām transformācijām, jo šīs molekulas pašas ir inertas. Turklāt bez aktivizēšanas tie nevar iekļūt mitohondriju membrānās. Šis posms notiek mitohondriju ārējā membrānā.
Patiesībā oksidēšana ir galvenais procesa posms. Tas ietver četrus posmus, pēc kuriem taukskābes tiek pārveidotas par acetil-CoA molekulām. Tas pats produkts veidojas ogļhidrātu izmantošanas laikā, tāpēc turpmākās darbības ir līdzīgas pēdējiem aerobās glikolīzes posmiem. ATP veidošanās notiek elektronu transporta ķēdē, kur elektroķīmiskā potenciāla enerģija tiek izmantota makroerģiskās saites veidošanai.
Taukskābju oksidēšanās procesā bez Acetil-CoA veidojas arī NADH un FADH molekulas2, kas kā elektronu donori nonāk arī elpošanas ķēdē. Tā rezultātā lipīdu katabolisma kopējā enerģijas izlaide ir diezgan augsta. Tā, piemēram, palmitīnskābes oksidēšana ar β-mehānismu dod 106 ATP molekulas.
Aktivizācija un pārnešana uz mitohondriju matricu
Pašas taukskābes ir inertas un nevar oksidēties. Aktivizēšana nodrošina tos tādā formā, kas ir pieejama bioķīmiskām transformācijām. Turklāt šīs molekulas nevar iekļūt mitohondrijās nemainītā veidā.
Aktivizācijas būtība irtaukskābes pārvēršana tās acil-CoA-tioesterā, kas pēc tam tiek oksidēts. Šo procesu veic īpaši enzīmi - tiokināzes (Acil-CoA sintetāzes), kas pievienotas mitohondriju ārējai membrānai. Reakcija notiek 2 posmos, kas saistīti ar divu ATP enerģijas patēriņu.
Aktivizācijai ir nepieciešami trīs komponenti:
- ATF;
- HS-CoA;
- Mg2+.
Pirmkārt, taukskābe reaģē ar ATP, veidojot aciladenilātu (starpproduktu). Tas savukārt reaģē ar HS-CoA, kura tiola grupa izspiež AMP, veidojot tioētera saiti ar karboksilgrupu. Rezultātā veidojas viela acil-CoA – taukskābju atvasinājums, kas tiek transportēts uz mitohondrijiem.
Transports uz mitohondrijiem
Šo darbību sauc par pāresterificēšanu ar karnitīnu. Acil-CoA pārnešana uz mitohondriju matricu tiek veikta caur porām, piedaloties karnitīnam un īpašiem enzīmiem - karnitīna aciltransferāzēm.
Pārnešanai cauri membrānām CoA tiek aizstāts ar karnitīnu, veidojot acilkarnitīnu. Šī viela tiek transportēta matricā ar acilkarnitīna/karnitīna transportētāja veicinātu difūziju.
Mitohondriju iekšpusē notiek apgriezta reakcija, kas sastāv no tīklenes atslāņošanās, kas atkal nonāk membrānās, un acil-CoA atjaunošanos (šajā gadījumā tiek izmantots "vietējais" koenzīms A, un nevis tas, ar kuru tika izveidota saiteaktivizācijas stadijā).
Galvenās taukskābju oksidēšanās reakcijas ar β-mehānismu
Visvienkāršākais taukskābju enerģijas izmantošanas veids ir ķēžu, kurām nav dubultsaišu, β-oksidēšana, kurā oglekļa vienību skaits ir vienmērīgs. Kā minēts iepriekš, šī procesa substrāts ir acilkoenzīms A.
Taukskābju β-oksidācijas process sastāv no 4 reakcijām:
- Dehidrogenēšana ir ūdeņraža atdalīšana no β-oglekļa atoma, veidojot dubultsaiti starp ķēdes posmiem, kas atrodas α un β pozīcijā (pirmais un otrais atoms). Rezultātā veidojas enoil-CoA. Reakcijas enzīms ir acil-CoA dehidrogenāze, kas darbojas kombinācijā ar koenzīmu FAD (pēdējais tiek reducēts līdz FADH2).
- Hidrācija ir ūdens molekulas pievienošana enoil-CoA, kā rezultātā veidojas L-β-hidroksiacil-CoA. Veic enoil-CoA-hidrātāze.
- Dehidrogenēšana - iepriekšējās reakcijas produkta oksidēšana ar NAD atkarīgo dehidrogenāzi, veidojot β-ketoacilkoenzīmu A. Šajā gadījumā NAD tiek reducēts līdz NADH.
- β-ketoacil-CoA šķelšanās par acetil-CoA un 2-oglekļa saīsinātu acil-CoA. Reakcija tiek veikta tiolāzes iedarbībā. Priekšnosacījums ir bezmaksas HS-CoA.
Tad viss sākas no jauna ar pirmo reakciju.
Visu posmu cikliskā atkārtošana tiek veikta, līdz visa taukskābes oglekļa ķēde tiek pārvērsta par acetilkoenzīma A molekulām.
Acetil-CoA un ATP veidošanās palmitoil-CoA oksidācijas piemērā
Katra cikla beigās acil-CoA, NADH un FADH2 molekulas veidojas vienā daudzumā, un acil-CoA-tioētera ķēde kļūst īsāka par diviem atomiem. Pārnesot elektronus uz elektrotransporta ķēdi, FADH2 dod pusotru ATP molekulu, bet NADH - divas. Rezultātā no viena cikla tiek iegūtas 4 ATP molekulas, neskaitot acetil-CoA enerģijas ieguvi.
Palmitīnskābes ķēdē ir 16 oglekļa atomi. Tas nozīmē, ka oksidācijas stadijā ir jāveic 7 cikli, veidojot astoņus acetil-CoA, un enerģijas ieguve no NADH un FADH2 šajā gadījumā būs 28 ATP molekulas. (4 × 7). Acetil-CoA oksidēšanās notiek arī enerģijas veidošanā, kas tiek uzkrāta, Krebsa cikla produktiem nonākot elektriskā transporta ķēdē.
Kopējā oksidācijas posmu un Krebsa cikla iznākums
Acetil-CoA oksidēšanās rezultātā tiek iegūtas 10 ATP molekulas. Tā kā palmitoil-CoA katabolisma rezultātā tiek iegūti 8 acetil-CoA, enerģijas ieguve būs 80 ATP (10 × 8). Ja pievienojat to NADH un FADH2 oksidācijas rezultātam, jūs iegūstat 108 molekulas (80+28). No šī daudzuma jāatņem 2 ATP, kas aizgāja, lai aktivizētu taukskābes.
Palmitīnskābes oksidācijas galīgais vienādojums būs: palmitoil-CoA + 16 O2 + 108 Pi + 80 ADP=CoA + 108 ATP + 16 CO2 + 16 H2O.
Enerģijas izdalīšanās aprēķins
Enerģijas izplūdenoteiktas taukskābes katabolisms ir atkarīgs no oglekļa vienību skaita tās ķēdē. ATP molekulu skaitu aprēķina pēc formulas:
[4(n/2 - 1) + n/2×10] - 2, kur 4 ir ATP daudzums, kas katrā ciklā rodas NADH un FADH2 dēļ, (n/2 - 1) ir ciklu skaits, n/2 × 10 ir enerģijas ieguve no acetil- CoA, un 2 ir aktivizācijas izmaksas.
Reakciju iezīmes
Nepiesātināto taukskābju oksidēšanai ir dažas īpatnības. Tādējādi grūtības oksidēt ķēdes ar dubultsaitēm ir saistītas ar to, ka pēdējās nevar pakļaut enoil-CoA-hidrāzei, jo tās atrodas cis pozīcijā. Šo problēmu novērš enoil-CoA izomerāze, kuras dēļ saite iegūst trans konfigurāciju. Rezultātā molekula kļūst pilnīgi identiska beta oksidācijas pirmā posma produktam un var tikt hidratēta. Vietas, kurās ir tikai atsevišķas saites, oksidējas tāpat kā piesātinātās skābes.
Dažreiz procesa turpināšanai nepietiek ar enoil-CoA-izomerāzi. Tas attiecas uz ķēdēm, kurās ir cis9-cis12 konfigurācija (dubultsaites pie 9. un 12. oglekļa atoma). Šeit traucē ne tikai konfigurācija, bet arī dubultsaišu novietojums ķēdē. Pēdējo koriģē enzīms 2,4-dienoil-CoA reduktāze.
Savu taukskābju katabolisms
Šis skābes veids ir raksturīgs lielākajai daļai dabiskas (dabiskas) izcelsmes lipīdu. Tas rada zināmu sarežģītību, jo katrs ciklsnozīmē saīsināšanu par pāra skaitu saišu. Šī iemesla dēļ šīs grupas augstāko taukskābju cikliskā oksidēšanās turpinās līdz 5-oglekļa savienojuma parādīšanās produkta veidā, kas sadalās acetil-CoA un propionil-koenzīmā A. Abi savienojumi nonāk citā trīs reakciju ciklā., kā rezultātā veidojas sukcinil-CoA. Tas ir viņš, kurš iesaistās Krebsa ciklā.
Oksidācijas pazīmes peroksisomās
Peroksisomās taukskābju oksidēšanās notiek, izmantojot beta mehānismu, kas ir līdzīgs, bet nav identisks mitohondriālajam. Tas sastāv arī no 4 posmiem, kas beidzas ar produkta veidošanos acetil-CoA formā, taču tam ir vairākas būtiskas atšķirības. Tādējādi dehidrogenēšanas stadijā atdalītais ūdeņradis neatjauno FAD, bet pāriet uz skābekli, veidojot ūdeņraža peroksīdu. Pēdējais nekavējoties tiek šķelts katalāzes ietekmē. Rezultātā enerģija, ko varēja izmantot ATP sintezēšanai elpošanas ķēdē, tiek izkliedēta kā siltums.
Otra svarīgā atšķirība ir tā, ka daži peroksisomu enzīmi ir specifiski noteiktām mazāk bagātīgām taukskābēm un nav mitohondriju matricā.
Aknu šūnu peroksisomu iezīme ir tāda, ka nav Krebsa cikla fermentatīvā aparāta. Tāpēc beta oksidācijas rezultātā veidojas īsas ķēdes produkti, kas tiek transportēti uz mitohondrijiem oksidēšanai.
