La condizione principale per la vita di qualsiasi organismo è il continuo apporto di energia, che viene spesa in vari processi cellulari. Allo stesso tempo, una certa parte dei composti nutritivi non può essere utilizzata immediatamente, ma può essere convertita in riserve. Il ruolo di tale serbatoio è svolto dai grassi (lipidi), costituiti da glicerolo e acidi grassi. Questi ultimi sono usati dalla cellula come combustibile. In questo caso, gli acidi grassi vengono ossidati a CO2 e H2O.
Nozioni di base sugli acidi grassi
Gli acidi grassi sono catene di carbonio di varia lunghezza (da 4 a 36 atomi), classificate chimicamente come acidi carbossilici. Queste catene possono essere ramificate o non ramificate e contengono un numero diverso di doppi legami. Se questi ultimi sono completamente assenti, gli acidi grassi sono detti saturi (tipico di molti lipidi di origine animale), e altrimenti -insaturo. Secondo la disposizione dei doppi legami, gli acidi grassi si dividono in monoinsaturi e polinsaturi.
La maggior parte delle catene contiene un numero pari di atomi di carbonio, il che è dovuto alla particolarità della loro sintesi. Tuttavia, ci sono collegamenti con un numero dispari di collegamenti. L'ossidazione di questi due tipi di composti è leggermente diversa.
Caratteristiche generali
Il processo di ossidazione degli acidi grassi è complesso ea più stadi. Inizia con la loro penetrazione nella cellula e termina nella catena respiratoria. Allo stesso tempo, le fasi finali ripetono di fatto il catabolismo dei carboidrati (il ciclo di Krebs, la trasformazione dell'energia del gradiente transmembrana in un legame macroergico). I prodotti finali del processo sono ATP, CO2 e acqua.
L'ossidazione degli acidi grassi in una cellula eucariotica avviene nei mitocondri (il sito di localizzazione più caratteristico), nei perossisomi o nel reticolo endoplasmatico.
Varietà (tipi) di ossidazione
Ci sono tre tipi di ossidazione degli acidi grassi: α, β e ω. Molto spesso, questo processo procede dal meccanismo β ed è localizzato nei mitocondri. La via omega è un' alternativa minore al meccanismo β e si svolge nel reticolo endoplasmatico, mentre il meccanismo alfa è caratteristico di un solo tipo di acido grasso (fitanico).
Biochimica dell'ossidazione degli acidi grassi nei mitocondri
Per comodità, il processo di catabolismo mitocondriale è convenzionalmente suddiviso in 3 fasi:
- attivazione e trasporto ai mitocondri;
- ossidazione;
- ossidazione dell'acetil-coenzima A formatosi attraverso il ciclo di Krebs e la catena di trasporto elettrico.
L'attivazione è un processo preparatorio che trasforma gli acidi grassi in una forma disponibile per trasformazioni biochimiche, poiché queste molecole stesse sono inerti. Inoltre, senza attivazione, non possono penetrare nelle membrane mitocondriali. Questo stadio si svolge sulla membrana esterna dei mitocondri.
In re altà, l'ossidazione è un passaggio chiave nel processo. Comprende quattro fasi, dopo le quali l'acido grasso viene convertito in molecole di acetil-CoA. Lo stesso prodotto si forma durante l'utilizzo dei carboidrati, in modo che le fasi successive siano simili alle ultime fasi della glicolisi aerobica. La formazione di ATP avviene nella catena di trasporto degli elettroni, dove l'energia del potenziale elettrochimico viene utilizzata per formare un legame macroergico.
Nel processo di ossidazione degli acidi grassi, oltre all'acetil-CoA, si formano anche molecole di NADH e FADH2, che entrano anche nella catena respiratoria come donatori di elettroni. Di conseguenza, la produzione di energia totale del catabolismo lipidico è piuttosto elevata. Quindi, per esempio, l'ossidazione dell'acido palmitico da parte del meccanismo β dà 106 molecole di ATP.
Attivazione e trasferimento alla matrice mitocondriale
Gli acidi grassi stessi sono inerti e non possono essere ossidati. L'attivazione li porta in una forma disponibile per trasformazioni biochimiche. Inoltre, queste molecole non possono entrare invariate nei mitocondri.
L'essenza dell'attivazione èla conversione di un acido grasso nel suo Acil-CoA-tioestere, che successivamente subisce l'ossidazione. Questo processo viene eseguito da enzimi speciali: le tiochinasi (Acil-CoA sintetasi) attaccate alla membrana esterna dei mitocondri. La reazione procede in 2 stadi, associati al dispendio di energia di due ATP.
Per l'attivazione sono necessari tre componenti:
- ATF;
- HS-CoA;
- Mg2+.
In primo luogo, l'acido grasso reagisce con l'ATP per formare aciladenilato (un intermedio). Questo, a sua volta, reagisce con HS-CoA, il cui gruppo tiolo sposta l'AMP, formando un legame tioetere con il gruppo carbossilico. Di conseguenza, si forma la sostanza acil-CoA, un derivato di un acido grasso, che viene trasportato nei mitocondri.
Trasporto nei mitocondri
Questo passaggio è chiamato transesterificazione con carnitina. Il trasferimento di acil-CoA alla matrice mitocondriale viene effettuato attraverso i pori con la partecipazione di carnitina ed enzimi speciali - carnitina aciltransferasi.
Per il trasporto attraverso le membrane, il CoA viene sostituito dalla carnitina per formare acil-carnitina. Questa sostanza viene trasportata nella matrice tramite la diffusione facilitata del trasportatore di acil-carnitina/carnitina.
All'interno dei mitocondri avviene una reazione inversa, consistente nel distacco della retina, che rientra nuovamente nelle membrane, e nel ripristino dell'acil-CoA (in questo caso si utilizza il coenzima A "locale" e non quello con cui si è formato il legamein fase di attivazione).
Principali reazioni di ossidazione degli acidi grassi da parte del meccanismo β
Il tipo più semplice di utilizzo energetico degli acidi grassi è la β-ossidazione di catene che non hanno doppi legami, in cui il numero di unità di carbonio è pari. Il substrato per questo processo, come notato sopra, è l'acil coenzima A.
Il processo di β-ossidazione degli acidi grassi consiste in 4 reazioni:
- La deidrogenazione è la scissione dell'idrogeno da un atomo di β-carbonio con la formazione di un doppio legame tra le maglie della catena situate nelle posizioni α e β (primo e secondo atomo). Di conseguenza, si forma enoil-CoA. L'enzima di reazione è l'acil-CoA deidrogenasi, che agisce in combinazione con il coenzima FAD (quest'ultimo è ridotto a FADH2).
- L'idratazione è l'aggiunta di una molecola d'acqua all'enoil-CoA, con conseguente formazione di L-β-idrossiacil-CoA. Eseguito dall'enoil-CoA-idratasi.
- Deidrogenazione - ossidazione del prodotto della reazione precedente da parte della deidrogenasi NAD-dipendente con formazione di β-chetoacil-coenzima A. In questo caso, il NAD viene ridotto a NADH.
- Scissione di β-chetoacil-CoA in acetil-CoA e un acil-CoA ridotto a 2 atomi di carbonio. La reazione viene condotta sotto l'azione della tiolasi. Un prerequisito è la presenza di HS-CoA gratuito.
Poi tutto ricomincia con la prima reazione.
La ripetizione ciclica di tutti gli stadi viene eseguita fino a quando l'intera catena di carbonio dell'acido grasso non viene convertita in molecole di acetil-coenzima A.
Formazione di acetil-CoA e ATP sull'esempio dell'ossidazione del palmitoil-CoA
Alla fine di ogni ciclo, le molecole di acil-CoA, NADH e FADH2 si formano in un'unica quantità e la catena di acil-CoA-tioetere si accorcia di due atomi. Trasferendo gli elettroni alla catena di elettrotrasporto, FADH2 fornisce una molecola e mezza di ATP e NADH due. Di conseguenza, da un ciclo si ottengono 4 molecole di ATP, senza contare la resa energetica dell'acetil-CoA.
La catena dell'acido palmitico ha 16 atomi di carbonio. Ciò significa che nella fase di ossidazione dovrebbero essere effettuati 7 cicli con la formazione di otto acetil-CoA, e la resa energetica da NADH e FADH2 in questo caso sarà di 28 molecole di ATP (4×7). L'ossidazione dell'acetil-CoA va anche alla formazione di energia, che viene immagazzinata come risultato dei prodotti del ciclo di Krebs che entrano nella catena di trasporto elettrico.
Resa totale delle fasi di ossidazione e del ciclo di Krebs
Come risultato dell'ossidazione dell'acetil-CoA, si ottengono 10 molecole di ATP. Poiché il catabolismo del palmitoil-CoA produce 8 acetil-CoA, la resa energetica sarà di 80 ATP (10×8). Se aggiungi questo al risultato dell'ossidazione di NADH e FADH2, ottieni 108 molecole (80+28). Da questa quantità si dovrebbero sottrarre 2 ATP, che sono andati ad attivare l'acido grasso.
L'equazione finale per l'ossidazione dell'acido palmitico sarà: palmitoil-CoA + 16 O2 + 108 Pi + 80 ADP=CoA + 108 ATP + 16 CO2 + 16 H2O.
Calcolo del rilascio di energia
Scarico di energiasul catabolismo di un particolare acido grasso dipende dal numero di unità di carbonio nella sua catena. Il numero di molecole di ATP si calcola con la formula:
[4(n/2 - 1) + n/2×10] - 2, dove 4 è la quantità di ATP generata durante ogni ciclo a causa di NADH e FADH2, (n/2 - 1) è il numero di cicli, n/2×10 è la resa energetica dall'ossidazione dell'acetil- CoA e 2 è il costo dell'attivazione.
Caratteristiche delle reazioni
L'ossidazione degli acidi grassi insaturi ha alcune particolarità. Pertanto, la difficoltà di ossidare le catene con doppi legami risiede nel fatto che queste ultime non possono essere esposte all'enoil-CoA-idratasi per il fatto che si trovano in posizione cis. Questo problema viene eliminato dall'isomerasi enoil-CoA, grazie alla quale il legame acquisisce una configurazione trans. Di conseguenza, la molecola diventa completamente identica al prodotto del primo stadio della beta-ossidazione e può subire idratazione. I siti contenenti solo legami singoli si ossidano allo stesso modo degli acidi saturi.
A volte l'enoil-CoA-isomerasi non è sufficiente per continuare il processo. Questo vale per le catene in cui è presente la configurazione cis9-cis12 (doppi legami al 9° e 12° atomo di carbonio). Qui, non solo la configurazione è un ostacolo, ma anche la posizione dei doppi legami nella catena. Quest'ultimo è corretto dall'enzima 2,4-dienoil-CoA reduttasi.
Catabolismo degli acidi grassi dispari
Questo tipo di acido è tipico per la maggior parte dei lipidi di origine naturale (naturale). Questo crea una certa complessità, poiché ogni cicloimplica un accorciamento di un numero pari di link. Per questo motivo, l'ossidazione ciclica degli acidi grassi superiori di questo gruppo continua fino alla comparsa di un composto a 5 atomi di carbonio come prodotto, che viene scisso in acetil-CoA e propionil-coenzima A. Entrambi i composti entrano in un altro ciclo di tre reazioni, a seguito del quale si forma succinil-CoA. È lui che entra nel ciclo di Krebs.
Caratteristiche dell'ossidazione nei perossisomi
Nei perossisomi, l'ossidazione degli acidi grassi avviene tramite un meccanismo beta simile, ma non identico, a quello mitocondriale. Si compone anche di 4 fasi, che culminano nella formazione del prodotto sotto forma di acetil-CoA, ma presenta diverse differenze fondamentali. Pertanto, l'idrogeno scisso nella fase di deidrogenazione non ripristina il FAD, ma passa all'ossigeno con la formazione di perossido di idrogeno. Quest'ultimo subisce immediatamente la scissione sotto l'azione della catalasi. Di conseguenza, l'energia che avrebbe potuto essere utilizzata per sintetizzare l'ATP nella catena respiratoria viene dissipata sotto forma di calore.
La seconda importante differenza è che alcuni enzimi perossisomiali sono specifici di alcuni acidi grassi meno abbondanti e non sono presenti nella matrice mitocondriale.
La caratteristica dei perossisomi delle cellule epatiche è che non esiste un apparato enzimatico del ciclo di Krebs. Pertanto, come risultato della beta-ossidazione, si formano prodotti a catena corta, che vengono trasportati ai mitocondri per l'ossidazione.
