Mastné kyseliny a ich katabolizmus
Mastné kyseliny prijaté potravou prechádzajú viacerými pochodmi, kým sa konečne dostanú do buniek, v ktorých sa spracujú. V nich prebieha odbúravanie mastných kyselín, pri ktorom pozorujeme tri fázy:
1. aktivácia mastnej kyseliny
2. transport do matrix mitochondrie
3. β-oxidácia
Aktivácia mastných kyselín
Voľná mastná kyselina, ktorá prichádza do bunky, nie je reaktívna. Preto musí byť prvým krokom odbúrania jej aktivácia. Bez toho táto molekula nevstúpi do ďalších reakcií vedúcich k jej degradácii a teda využitiu.
Pod aktiváciou rozumieme reakciu mastnej kyseliny s koenzýmom A. Vzniká acyl-CoA, energeticky bohatý produkt, s makroérgnou väzbou.
Acyl-CoA vzniká v rôznych „oddeleniach“ (kompartmentoch) bunky, podľa toho, aký dlhý má mastná kyselina reťazec. Odbúravanie mastných kyselín s krátkym reťazcom začína tvorbou acyl-CoA v cytoplazme. Pri stredne dlhom reťazci v mitochondriách, pri dlhom reťazci na vonkajšej mitochondriálnej membráne, endoplazmatickom retikule a v peroxizómoch. Mastné kyseliny s veľmi dlhým reťazcom sa premieňajú na acyl-CoA v peroxizómoch.
Ako si môžete všimnúť na obrázku vyššie, túto reakciu katalyzuje acyl-CoA synthetáza. Zaraďuje sa do skupiny thiokináz, respektíve ligáz. Aby reakcia mohla prebehnúť, spotrebuje sa energia vo forme ATP. Dôjde k štiepeniu ATP nie na ADP, ale až na AMP. Toto zodpovedá strate 2 ATP.
Čo sa stane s AMP?
AMP samo o sebe je energeticky chudobná molekula. Navyše, na rozdiel od ADP, nedá sa priamo použiť na spätnú tvorbu ATP. Avšak vďaka jednému medzikroku to docielime.
AMP zreaguje s molekulou ATP. Produktami tejto reakcie sú dve molekuly ADP, ktoré už dokážeme využiť na tvorbu ATP pomocou ATP-syntházy v aeróbnej fosforylácii.
Transport mastných kyselín do mitochondrie
Mastné kyseliny sa využívajú v procese zvanom β-oxidácia mastných kyselín. Tá prebieha v matrix mitochondrie, v tomto momente však máme aktivovanú mastnú kyselinu väčšinou v cytoplazme. Musí teda byť zabezpečený jej transport.
Z vysokej školy
Nevyhnutný pre transport vyšších mastných kyselín cez vnútornú mitochondriálnu membránu je karnitín. Acyl-CoA nedokáže cez membránu voľne prestupovať, musí sa najprv naviazať na karnitín. Mastné kyseliny s reťazcom kratším ako 12 uhlíkov ho nepotrebujú, prechádzajú membránou voľne a na CoA sa viažu až v matrix.
Acylkarnitínový cyklus – ako tento transport funguje?
Začnime ilustračným obrázkom a postupne si popíšeme jednotlivé kroky.
Acyl-CoA reaguje s karnitínom. Odštiepi sa voľný koenzým A a hlavným produktom je acyl-karnitín. To znamená, že našu mastnú kyselinu sme naviazali na karnitín, ktorý má za úlohu ju preniesť vnútornou mitochondriálnou membránou. Reakciu katalyzuje enzým na obrázku označený ako CAT I – karnitínacyltransferáza I. Acyl-karnitín vzniká v medzimembránovou priestore.
Posunieme sa k ďalšiemu kroku. Vo vnútornej mitochondriálnej membráne je zabudovaný enzým CACT – karnitín/acylkarnitín translokáza. Jeho úlohou je vymeniť acylkarnitín za voľný karnitín, takže acylkarnitín sa dostáva do matrix mitochondrie. Voľný karnitín, naopak, do medzimembránového priestoru, kde môže viazať ďalšiu mastnú kyselinu.
CAT II, enzým karnitínacyltransferáza II, je viazaný na vnútornú mitochondriálnu membránu a katalyzuje posledný krok prenosu. Acyl-karnitín reaguje s koenzýmom A a vznikajú pôvodné molekuly – acyl-CoA a karnitín, v tomto prípade ich už však máme v matrix. Karnitín sa vracia do medzimembránového priestoru.
V prípade, že prebieha syntéza mastných kyselín, je inhibovaná tvorba acylkarnitínu. Je tak zabránené tomu, aby obe dráhy – tvorba a odbúravanie mastných kyselín – prebiehali súčasne.
Ako vidíte, karnitín je nevyhnutný k tomu, aby sme dokázali využiť mastné kyseliny. Musíme zabezpečiť, aby ho telo malo dostatok. Prijímame ho v potrave, napr. v mäse a mlieku. Z časti sa takisto syntetizuje v organizme, hlavne v pečeni a obličkách. Jeho tvorba vychádza z aminokyseliny lyzín.
Beta-oxidácia mastných kyselín
Odbúravanie mastných kyselín končí procesom zvaným β-oxidácia. Význam spočíva v zisku energie, ak bunka nemá dostatok glukózy, z ktorej ju môže získať.
Proces pozostáva z niekoľkých reakcií, ktoré sa postupne opakujú. Každý „cyklus“ skráti reťazec mastnej kyseliny o dva uhlíky, až kým sa celá nepremení na niekoľko molekúl acetyl-CoA. Reakcie prebiehajú v mitochondriálnej matrix prakticky všetkých buniek – okrem erytrocytov, ktoré nemajú mitochondrie.
Do β-oxidácie vstupuje aktivovaná mastná kyselina, acyl-CoA. Ten sa postupne oxiduje na β-uhlíku (tretí uhlík od COOH konca). Opakujú sa pri tom štyri reakcie:
1. dehydrogenácia,
2. hydratácia,
3. dehydrogenácia,
4. odštiepenie acetyl-CoA.
Dehydrogenácia acyl-CoA
Prvým krokom je dehydrogenácia, takže odštiepenie dvoch atómov vodíka, z molekuly acyl-CoA. Vodíky sa odštepujú z druhého a tretieho uhlíku (α a β uhlík). Nasýtený acyl-CoA sa mení na nenasýtený, v konfigurácii trans.
Reakciu katalyzuje acylkoenzým-A-dehydrogenáza zabudovaná vo vnútornej mitochondriálnej membráne.
Ako vidíte na obrázku, prítomný je tiež kofaktor FAD. Naväzuje na seba odštiepené vodíky a vzniká jeho redukovaná forma, FADH2. Ten sa zapája do dýchacieho reťazca, v ktorom sa naspäť oxiduje za vzniku 2 ATP.
Hydratácia nenasýteného acyl-CoA
V druhom kroku dochádza k hydratácii – adícii vody. Nie je potrebný žiadny kofaktor. Na β-uhlík sa naväzuje –OH skupina a zaniká dvojitá väzba medzi α a β uhlíkom. Produktom je β-hydroxyacyl-CoA.
Dehydrogenácia
Rovnako ako v prvom kroku, aj v treťom dochádza k dehydrogenácii. Odštepujú sa vodíky a vzniká dvojitá väzba, oxo-skupina. Produktom je β-oxoacyl-CoA.
V prvej reakcii bol kofaktorom FAD, teraz sa použije NAD+. Prijatím vodíkov sa redukuje na NADH + H+ a v tejto forme vstupuje do dýchacieho reťazca. V ňom z neho získame 3 molekuly ATP.
Thiolýza
β-oxoacyl-CoA sa thiolyticky štiepi medzi druhým a tretím uhlíkom. Oddeľuje sa acetyl-CoA a mastná kyselina sa tak skracuje o dva uhlíky.
Reakciu katalyzuje thioláza, enzým zo skupiny transferáz. Prenáša o dva uhlíky kratší acyl na síru v molekule koenzýmu A, čím vzniká opäť acyl-CoA. Ten vstúpi do rovnakých štyroch reakcií a toto sa opakuje, kým celá mastná kyselina nie je odbúraná na acetyl-CoA.
Vznikajúci acetyl-CoA vstupuje do citrátového cyklu, kde je využitý na tvorbu energie.
Celkový priebeh beta-oxidácie
Nasledujúci obrázok zobrazuje súhrn reakcií, ktoré tvoria odbúravanie mastných kyselín v matrix mitochondrie. Počas jedného cyklu sa získa 1 FADH2, 1 NADH + H+ a 1 acetyl-CoA. Reakcie prebiehajú, kým nie je degradovaná celá mastná kyselina.
Odbúravanie mastných kyselín a jeho energetický zisk
Energetický zisk pri katabolizme mastných kyselín nie je vždy rovnaký. Odvíja sa od dĺžky reťazca, alebo inak povedané, množstva uhlíkov. Čím viac dvojuhlíkatých acetyl-CoA z molekuly získame, tým vyšší bude energetický výťažok.
Zoberme si ako príklad 16-uhlíkatú kyselinu palmitovú. Na jej aktiváciu (tvorbu palmitoyl-CoA) sa spotrebujú 2 ATP. Následne vstúpi palmitoyl-CoA do opakujúcich sa štyroch reakcií.
Pôvodná kyselina má 16 uhlíkov, takže z nej vznikne 8 acetyl-CoA. Sedemkrát prebehne sled štyroch reakcií β-oxidácie, pri ktorých sa vyprodukuje 7 FADH2 a 7 NADH+H+.
Z jedného acetyl-CoA vyťažíme 12 ATP, pri 8 molekulách to bude 8×12 = 96 ATP. 7 NADH+H+ predstavuje zisk 7×3 = 21 ATP a zo 7 FADH2 vyťažíme 7×2 = 14 ATP. Celkový príjem je teda 96+14+12-2 = 129 ATP pri 16-uhlíkatej nasýtenej mastnej kyseline.
Odbúravanie mastných kyselín s veľmi dlhým reťazcom
Mastné kyseliny s reťazcom dlhším ako 22 uhlíkov podliehajú β-oxidácii v peroxizómoch. Prebiehajú tu reakcie, ktoré sme si popísali vyššie a vzniká acetyl-CoA. Dochádza tak k skracovaniu reťazca. Tieto mastné kyseliny so skráteným reťazcom sa naviažu na karnitín a presunú do matrix mitochondrie.
Kofaktor FADH2 vznikajúci v peroxizómoch nespolupracuje s dýchacím reťazcom! Vodíky sa prenesú na kyslík a vznikne peroxid vodíku.
V peroxizómoch prebieha aj α-oxidácia
Do organizmu sa dostávajú okrem „klasických“ aj rozvetvené mastné kyseliny. Pri ich katabolizme zohráva dôležitú úlohu α-oxidácia, kedy sa odštiepi CO2. Na novovzniknutú kyselinu sa pripája koenzým A a ďalej sa v peroxizómoch degraduje klasickým spôsobom, β-oxidáciou.
Oxidácia nenasýtených mastných kyselín
Asi 50% mastných kyselín prijatých potravou patrí medzi nenasýtené (majú aspoň jednu dvojitú väzbu medzi uhlíkmi, nie sú všetky jednoduché). Ich katabolizmus nie je rovnaký ako pri nasýtených mastných kyselinách, no rozdiely sú minimálne.
Odbúravanie nenasýtených mastných kyselín sa odohráva klasicky, pomocou β-oxidácie. Odštepujú sa dvojuhlíkaté acetyl-CoA, až sa dopracujeme k dvojitej väzbe. V tomto momente nastáva jediná zmena – vynecháva sa prvá, dehydrogenačná, reakcia. Dvojitá väzba je už prítomná. Namiesto toho je potrebné ju z cis formy premeniť na trans formu, o čo sa postará izomeráza. Tak sa dostaneme do stavu, kedy môžeme opäť pokračovať klasickou cestou odbúravania.
Dôležité je uvedomiť si nasledovné. Tým, že vynechávame dehydrogenáciu, nevzniká FADH2. Takže konečný výťažok energie bude nižší. Čím viac dvojitých väzieb pri rovnakej dĺžke reťazca, tým menší zisk ATP.
Zdroj:
Prezentácia Lipidy II (tenzidy, trávení lipidů, mastné kyseliny – syntéza a odbourání) Biochemického ústavu Lekárskej fakulty Masarykovej univerzity (2017)
