La principal condició per a la vida de qualsevol organisme és el subministrament continu d'energia, que es gasta en diversos processos cel·lulars. Al mateix temps, una part determinada dels compostos nutritius no es pot utilitzar immediatament, però es pot convertir en reserves. El paper d'aquest dipòsit el fan els greixos (lípids), formats per glicerol i àcids grassos. Aquests últims són utilitzats per la cèl·lula com a combustible. En aquest cas, els àcids grassos s'oxiden a CO2 i H2O.
Nocions bàsiques d'àcids grassos
Els àcids grassos són cadenes de carboni de diverses longituds (de 4 a 36 àtoms), que es classifiquen químicament com àcids carboxílics. Aquestes cadenes poden ser ramificades o no ramificades i contenen diferents nombres de dobles enllaços. Si aquests últims estan completament absents, els àcids grassos s'anomenen saturats (típic per a molts lípids d'origen animal), i en cas contrari:insaturat. Segons la disposició dels dobles enllaços, els àcids grassos es divideixen en monoinsaturats i poliinsaturats.
La majoria de cadenes contenen un nombre parell d'àtoms de carboni, la qual cosa es deu a la peculiaritat de la seva síntesi. Tanmateix, hi ha connexions amb un nombre imparell d'enllaços. L'oxidació d'aquests dos tipus de compostos és lleugerament diferent.
Característiques generals
El procés d'oxidació dels àcids grassos és complex i multietapa. Comença amb la seva penetració a la cèl·lula i acaba en la cadena respiratòria. Al mateix temps, les etapes finals repeteixen realment el catabolisme dels hidrats de carboni (el cicle de Krebs, la transformació de l'energia del gradient transmembrana en un enllaç macroèrgic). Els productes finals del procés són ATP, CO2 i aigua.
L'oxidació dels àcids grassos en una cèl·lula eucariota es porta a terme als mitocondris (el lloc de localització més característic), peroxisomes o reticle endoplasmàtic.
Varietats (tipus) d'oxidació
Hi ha tres tipus d'oxidació d'àcids grassos: α, β i ω. Molt sovint, aquest procés passa pel mecanisme β i es localitza als mitocondris. La via omega és una alternativa menor al mecanisme β i es porta a terme al reticle endoplasmàtic, mentre que el mecanisme alfa és característic d'un sol tipus d'àcid gras (fitànic).
Bioquímica de l'oxidació d'àcids grassos als mitocondris
Per comoditat, el procés de catabolisme mitocondrial es divideix convencionalment en 3 etapes:
- activació i transport als mitocondris;
- oxidació;
- oxidació de l'acetil-coenzim A format mitjançant el cicle de Krebs i la cadena de transport elèctric.
L'activació és un procés preparatori que transforma els àcids grassos en una forma disponible per a transformacions bioquímiques, ja que aquestes molècules són inerts. A més, sense activació, no poden penetrar a les membranes mitocondrials. Aquesta etapa té lloc a la membrana externa dels mitocondris.
En realitat, l'oxidació és un pas clau en el procés. Inclou quatre etapes, després de les quals l'àcid gras es converteix en molècules d'acetil-CoA. El mateix producte es forma durant la utilització dels hidrats de carboni, de manera que els passos posteriors són similars als últims passos de la glucòlisi aeròbica. La formació d'ATP es produeix a la cadena de transport d'electrons, on l'energia del potencial electroquímic s'utilitza per formar un enllaç macroèrgic.
En el procés d'oxidació d'àcids grassos, a més de l'acetil-CoA, també es formen molècules de NADH i FADH2, que també entren a la cadena respiratòria com a donants d'electrons. Com a resultat, la producció total d'energia del catabolisme dels lípids és força elevada. Així, per exemple, l'oxidació de l'àcid palmític pel mecanisme β dóna 106 molècules d'ATP.
Activació i transferència a la matriu mitocondrial
Els propis àcids grassos són inerts i no es poden oxidar. L'activació els porta en una forma disponible per a transformacions bioquímiques. A més, aquestes molècules no poden entrar als mitocondris sense canvis.
L'essència de l'activació ésla conversió d'un àcid gras en el seu Acil-CoA-tioèster, que posteriorment s'oxida. Aquest procés es realitza mitjançant enzims especials: tiocinases (Acil-CoA sintetases) unides a la membrana externa dels mitocondris. La reacció transcorre en 2 etapes, associades a la despesa d'energia de dos ATP.
Es requereixen tres components per a l'activació:
- ATF;
- HS-CoA;
- Mg2+.
Primer, l'àcid gras reacciona amb l'ATP per formar aciladenilat (un intermedi). Això, al seu torn, reacciona amb HS-CoA, el grup tiol del qual desplaça l'AMP, formant un enllaç tioèter amb el grup carboxil. Com a resultat, es forma la substància acil-CoA, un derivat d'àcids grassos, que es transporta als mitocondris.
Transport als mitocondris
Aquest pas s'anomena transesterificació amb carnitina. La transferència d'acil-CoA a la matriu mitocondrial es realitza a través dels porus amb la participació de carnitina i enzims especials: carnitina aciltransferases.
Per al transport a través de les membranes, el CoA es substitueix per carnitina per formar acil-carnitina. Aquesta substància es transporta a la matriu mitjançant la difusió facilitada del transportador d'acil-carnitina/carnitina.
A l'interior dels mitocondris es produeix una reacció inversa, consistent en el despreniment de la retina, que torna a entrar a les membranes, i la restauració de l'acil-CoA (en aquest cas s'utilitza el coenzim A "local", i no amb la qual es va formar el vincleen l'etapa d'activació).
Principals reaccions d'oxidació d'àcids grassos per mecanisme β
El tipus més senzill d'aprofitament energètic dels àcids grassos és la β-oxidació de cadenes que no tenen dobles enllaços, en què el nombre d'unitats de carboni és parell. El substrat per a aquest procés, com s'ha indicat anteriorment, és el coenzim acil A.
El procés de β-oxidació dels àcids grassos consta de 4 reaccions:
- La deshidrogenació és la separació de l'hidrogen d'un àtom de carboni β amb la formació d'un doble enllaç entre els enllaços de la cadena situats en les posicions α i β (primer i segon àtom). Com a resultat, es forma enoil-CoA. L'enzim de reacció és l'acil-CoA deshidrogenasa, que actua en combinació amb el coenzim FAD (aquest últim es redueix a FADH2).
- La hidratació és l'addició d'una molècula d'aigua a l'enoil-CoA, donant lloc a la formació de L-β-hidroxiacil-CoA. Realitzat per enoil-CoA-hidratasa.
- Deshidrogenació: oxidació del producte de la reacció anterior per la deshidrogenasa dependent de NAD amb formació de β-cetoacil-coenzim A. En aquest cas, NAD es redueix a NADH.
- Cissió de β-cetoacil-CoA a acetil-CoA i un acil-CoA escurçat de 2 carbonis. La reacció es realitza sota l'acció de la tiolasa. Un requisit previ és la presència de HS-CoA gratuït.
Després tot torna a començar amb la primera reacció.
La repetició cíclica de totes les etapes es porta a terme fins que tota la cadena de carboni de l'àcid gras es converteix en molècules d'acetil-coenzim A.
Formació d'Acetil-CoA i ATP en l'exemple d'oxidació de palmitoil-CoA
Al final de cada cicle, les molècules d'acil-CoA, NADH i FADH2 es formen en una sola quantitat, i la cadena d'acil-CoA-tioèter es fa més curta en dos àtoms. En transferir electrons a la cadena d'electrotransport, FADH2 dóna una molècula i mitja d'ATP i NADH dues. Com a resultat, s'obtenen 4 molècules d'ATP d'un cicle, sense comptar el rendiment energètic de l'acetil-CoA.
La cadena d'àcid palmític té 16 àtoms de carboni. Això vol dir que en l'etapa d'oxidació s'han de dur a terme 7 cicles amb la formació de vuit acetil-CoA, i el rendiment energètic de NADH i FADH2 en aquest cas serà de 28 molècules d'ATP. (4×7). L'oxidació de l'acetil-CoA també va a la formació d'energia, que s'emmagatzema com a resultat de l'entrada dels productes del cicle de Krebs a la cadena de transport elèctric.
Rendiment total dels passos d'oxidació i cicle de Krebs
Com a resultat de l'oxidació de l'acetil-CoA, s'obtenen 10 molècules d'ATP. Com que el catabolisme del palmitoil-CoA produeix 8 acetil-CoA, el rendiment energètic serà de 80 ATP (10×8). Si afegiu això al resultat de l'oxidació de NADH i FADH2, obtindreu 108 molècules (80+28). D'aquesta quantitat, s'hauria de restar 2 ATP, que van servir per activar l'àcid gras.
L'equació final per a l'oxidació de l'àcid palmític serà: palmitoil-CoA + 16 O2 + 108 Pi + 80 ADP=CoA + 108 ATP + 16 CO2 + 16 H2O.
Càlcul de l'alliberament d'energia
Escapament d'energiaEl catabolisme d'un àcid gras determinat depèn del nombre d'unitats de carboni de la seva cadena. El nombre de molècules d'ATP es calcula amb la fórmula:
[4(n/2 - 1) + n/2×10] - 2, on 4 és la quantitat d'ATP generada durant cada cicle a causa de NADH i FADH2, (n/2 - 1) és el nombre de cicles, n/2×10 és el rendiment energètic de l'oxidació de l'acetil- CoA i 2 és el cost de l'activació.
Característiques de les reaccions
L'oxidació dels àcids grassos insaturats té algunes peculiaritats. Així, la dificultat d'oxidar les cadenes amb dobles enllaços rau en el fet que aquestes últimes no poden estar exposades a l'enoil-CoA-hidratasa pel fet que es troben en posició cis. Aquest problema s'elimina per l'enoil-CoA isomerasa, per la qual cosa l'enllaç adquireix una configuració trans. Com a resultat, la molècula esdevé completament idèntica al producte de la primera etapa de la beta-oxidació i pot experimentar hidratació. Els llocs que contenen només enllaços simples s'oxiden de la mateixa manera que els àcids saturats.
De vegades l'enoil-CoA-isomerasa no és suficient per continuar el procés. Això s'aplica a cadenes en què la configuració cis9-cis12 està present (dobles enllaços als àtoms de carboni 9 i 12). Aquí, no només la configuració és un obstacle, sinó també la posició dels dobles enllaços a la cadena. Aquest últim es corregeix per l'enzim 2,4-dienoil-CoA reductasa.
Catabolisme d'àcids grassos estranys
Aquest tipus d'àcid és típic de la majoria de lípids d'origen natural (natural). Això crea una certa complexitat, ja que cada cicleimplica l'escurçament d'un nombre parell d'enllaços. Per aquest motiu, l'oxidació cíclica dels àcids grassos superiors d'aquest grup continua fins a l'aparició d'un compost de 5 carbonis com a producte, que es divideix en acetil-CoA i propionil-coenzim A. Tots dos compostos entren en un altre cicle de tres reaccions., com a resultat del qual es forma succinil-CoA. És ell qui entra al cicle de Krebs.
Característiques de l'oxidació dels peroxisomes
En els peroxisomes, l'oxidació dels àcids grassos es produeix mitjançant un mecanisme beta similar, però no idèntic, al mitocondrial. També consta de 4 etapes, que culminen amb la formació del producte en forma d'acetil-CoA, però té diverses diferències clau. Així, l'hidrogen escindit en l'etapa de deshidrogenació no restaura el FAD, sinó que passa a l'oxigen amb la formació de peròxid d'hidrogen. Aquest últim se sotmet immediatament a una escissió sota l'acció de la catalasa. Com a resultat, l'energia que es podria haver utilitzat per sintetitzar ATP a la cadena respiratòria es dissipa en forma de calor.
La segona diferència important és que alguns enzims peroxisomes són específics de certs àcids grassos menys abundants i no estan presents a la matriu mitocondrial.
La característica dels peroxisomes de les cèl·lules hepàtiques és que no hi ha aparell enzimàtic del cicle de Krebs. Per tant, com a resultat de la beta-oxidació, es formen productes de cadena curta, que es transporten als mitocondris per a l'oxidació.
