Beta oksidacija
Beta oksidacija je kružni metabolički proces kojim se masne kiseline, prethodno modificirane u oblik acil-koenzima A (Acil-CoA), postepeno razgrađuju do konačnog produkta Acetil-CoA. Acetil-CoA ulazi potom u Krebsov ciklus kao početna molekula. Beta se oksidacija odvija u mitohondrijima i/ili peroksisomima u četiri metabolička prijelaza koji se ponavljaju, s određenim razlikama pri razgradnji nezasićenih masnih kiselina i masnih kiselina s neparnim brojem ugljikovih atoma.
crveno: acil-CoA, zeleno: karnitin, crveno+zeleno: acil karnitin, CoASH: koenzim A, CPTI: karnitin aciltransferaza I, CPTII: karnitin aciltransferaza II, 1: acil-CoA sintetaza, 2: translokaza, A: vanjska mitohondrijska membrana, B: međumembranski prostor, C: unutarnja mitohondrijska membrana, D: mitohondrijski matriks
Masne kiseline moraju proći tri metabolička koraka da bi mogle biti razgrađene u Acetil-CoA:
1. Aktivacija masnih kiselina u citosolu
2. Prijenos masnih kiselina iz citosola u mitohondrij (prijenos karnitina)
3. Beta oksidacija u matriksu mitohondrija
Većina tkiva oksidira masne kiseline kao metaboličko gorivo, s izuzetkom mozga koji ih vrlo teško koristi i eritrocita i moždine nadbubrežne žlijezde koja ih ne može koristiti. Kod nekih je životinja beta oksidacija posebno korisna za dobijanje energije tokom zimskog sna (hibernacije), dok neke pustinjske životinje dobijaju vodu razgradnjom masnih kiselina. Biljke pak vrše beta oksidaciju u peroksisomima listova i sjemena, koja nema ulogu proizvodnje energije već stvaranja prekursora za druge biosintetske reakcije.
Koraci koji prethode beta oksidaciji
urediAktivacija masnih kiselina
urediSlobodne masne kiseline s lakoćom prolaze staničnu membranu u citosol, pošto su vrlo hidrofobne molekule. Aktivaciju masnih kiselina u citosolu katalizira enzim acil CoA sintetaza. Masne kiseline reagiraju s ATP i nastaju acil adenilat i anorganski pirofosfat (PPi). Acil adenilat reagira potom s koenzimom A i kao produkt nastaje acil-koenzim A i AMP. Stehiometrijska reakcija aktivacije masnih kiselina:
R–COOH + ATP + CoASH → R–CO–SCoA + AMP + PPi + H2O
Prijenos acil-CoA u mitohondrij
urediRadi njegove hidrofilne prirode, Acil-CoA ne može spotano proći iz citosola kroz mitohondrijske membrane do matriksa. Acil-CoA stoga reagira s karnitinom i formira acil karnitin, koji se prenosi kroz obje membrane u matriks mitohondrija.
Proces prijenosa acil karnitina odvija se u tri faze:
1. Enzim karnitin aciltransferaza I ili karnitin palmitoiltransferaza I (CPTI), koji se nalazi na vanjskoj mitohondrijskoj membrani, odstranjuje koenzim A iz acil-CoA i veže acilnu skupinu na karnitin formirajući tako acil karnitin. Koenzim A se oslobađa u citosol i može biti iskorišten za aktivaciju slijedeće masne kiseline.
2. Transportna bjelančevina translokaza, koja se nalazi na unutarnjoj mitohondrijskoj membrani, prebacuje acil karnitin u matriks.
3. Enzim karnitin acitransfraza II ili karnitin palmitoiltransferaza II (CPTII), koji je tijesno vezan za translokazu, oslobađa molekulu karnitina od acilne skupine i ponovo je veže za koenzim A. Oslobođeni karnitin se prenosi izvan mitohondrija, kao bi mogao ponoviti ciklus.
Aktivnost prijenosa Acil CoA u mitohondrij inhibirana je od strane malonil-CoA, jednog od ključnih regulatora metabolizma masnih kiselina.
Beta oksidacija kao kružni proces u četiri stupnja
urediUnutar mitohondrija, svaki se ciklus beta oksidacije sastoji od niza četiriju reakcija u kojima se razgradnjom acil-CoA oslobađa jedna molekula acetil-CoA[1]:
| Opis | Kemijska reakcija | Enzim | Konačni produkt |
| Dehidrogenacija FAD-om: Prvi je korak oksidacija masne kiseline od strane enzima acil-CoA dehidrogenaze, koji katalizira formiranje dvostruke veze između C2 i C3. |  |
acil CoA dehidrogenaza | trans-Δ2-enoil-CoA |
| Hidratacija: Drugi je korak hidratacija dvostruke veze između C2 i C3. Ova je reakcija stereospecifična, i dopušta formiranje samo L-izomera. |  |
enoil CoA hidrataza | L-β-hidroksiacil-CoA |
| Oksidacija NAD+-om: Treći je korak oksidacija L-β-hidroksiacil-CoA od strane NAD+, pri čemu se hidroksilna skupina konvertira u ketonsku skupinu. |  |
L-β-hidroksiacil CoA dehidrogenaza | β-ketoacil-CoA |
| Tioliza: Posljednji je korak odvajanje β-ketoacil CoA, tiolnom skupinom koja pripada drugoj molekuli koenzima A. Tiol je umetnut između C2 i C3. |  |
tiolaza (acil-CoA acetiltransferaza) | acetil-CoA i acil-CoA, koji je kraći za dva atoma ugljika |
Ovaj se proces u četiri koraka ponavlja dok se cijeli lanac ne razgradi u molekule acetil-CoA. U posljednjem se ciklusu formiraju dvije molekule acetil-CoA, umjesto jedne acil-CoA i jedne acetil-CoA.
Multienzimski kompleks
urediEnzimi koji kataliziraju zadnja tri stupnja beta oksidacije povezani su u veliki multienzimski sklop, koji se nalazi na unutarnjoj membrani mitohondrija i naziva se trifunkcijski enzim (TFP). Ovaj enzimski sklop je heterooktamer, tj. izgrađen je od četiri α i četiri β podjedinice. Podjedinice α se funkcionalno podudaraju s enoil-CoA hidratazom i L-β-hidroksiacil-CoA-dehidrogenazom, dok podjedinice β vrše aktivnost tiolaze. Bliska interakcija ovih enzima uvelike ubrzava cijeli metabolički proces i čini ga učinkovitijim, pošto se substrati ne disociraju od samih enzima pri prijelazu na slijedeću reakciju.
Beta oksidacija nezasićenih masnih kiselina
urediOpisane reakcije beta oksidacije vrijede samo za degradaciju zasićenih masnih kiselina u kojima su atomi ugljika vezani jednostrukim kovalentnim vezama. Kod nezasićenih masnih kiselina, prisutnost jedne ili više dvostrukih kovalentnih veza među atomima ugljika u cis poziciji, sprječava formiranje trans-Δ2-enoil-CoA. Pri razgradnji nezasićenih masnih kiselina, u reakciju stupaju dva dodatna enzima.
- Kod nezasićenih masnih kiselina s jednom dvostrukom vezom, kao npr. oleinska kiselina C18:1(Δ9), enzim Δ3,Δ2-enoil-CoA izomeraza katalizira izomerizaciju cis-Δ3-enoil-CoA u trans-Δ2-enoil-CoA, koji je uobičajeni substrat beta oksidacije. Daljnje se reakcije odvijaju uobičajenim tokom.
- Kod nezasićenih masnih kiselina s dvije ili više dvostrukih veza, kao npr. linolna kislina - C18:2(Δ9,12), gore navedena izomeraza najprije katalizira izomerizaciju cis pozicije u trans. Potom enzim 2,4-dienoil-CoA-reduktaza reducira dvostruku vezu u jednostruku, pri čemu se koristi reducirani nikotinamid adenin dinukleotid fosfat (NADPH + H+) kao donor vodika. Potom enoil-CoA-izomeraza katalizira izomerizaciju cis u trans. Ostale se reakcije odvijaju uobičajenim tokom.
Beta oksidacija masnih kiselina s neparnim brojem ugljikovih atoma
urediVećna prirodnih lipida sadrži masne kiseline s parnim brojem ugljikovih atoma, ali neke biljke i morski organizmi mogu sadržati i masne kiseline s neparnim brojem C atoma. Ovi lanci masnih kiselina bivaju oksidirani uobičajenim metaboličkim putem do posljednjeg niza reakcija, pri čemu ne nastaju dva acetil-CoA već jedan acetil-CoA i jedan propionil-CoA. Propionil-CoA razgrađuju tri dodatna enzima.
- Propionil CoA carboksilaza katalizira reakciju karboksilacije (vezivanja CO2), pri čemu nastaje D-metilmalonil-CoA. Kofaktor enzima je biotin (vitamin H) koji aktivira bikarbonatni ion HCO3-, a energiju za samu reakciju daje ATP:
propionil-CoA + HCO3- + ATP → D-metilmalonil-CoA + ADP + Pi
- Metilmalonil-CoA epimeraza potom pretvara D-izomer u L-metilmalonil-CoA. Ova reakcija zahtijeva 5'-deoksiadenozilkobalamin ili vitamin B12 kao kofaktor.
- Metilmalonil-CoA mutaza katalizira pretvorbu L-metilmalonil-CoA u sukcinil CoA.
Sukcinil CoA može ući u Krebsov ciklus kao međuspoj.
Beta oksidacija u peroksisomima
uredi
Osim u mitohondrijima, beta oksidacija može se dovijati i u peroksisomima kad je duljina lanaca masnih kiselina vrlo velika. Kod peroksisomske beta oksidacije, proces ne razgrađuje u potpunosti lanac masne kiseline, već se zaustavlja na oktanilu-CoA.
Postoji nekoliko bitnih razlika između mitohondrijske i peroksisomske beta oksidacije, koja zahtijeva i različite enzime.
Aktivirane masne kiseline prenosi posebna peroksisomalna karnitin acil transferaza (umjesto uobičajene acil transferaze I i II).
Unutar peroksisoma, aktivirane masne kiseline (acil-CoA) oksidira prvi enzim flavoprotein acil-CoA oksidaza koja katalizira nastanak dvostruke veze po slijedećoj formuli:
acil-CoA + O2 trans-2,3-dehidroacil-CoA + H2O2
Za napomenuti je da ova reakcija oksidacije nije vezana za proizvodnju ATP. Pri peroksisomnoj beta oksidaciji akceptori elektrona nisu NAD i FAD, već molekula kisika (O2), koja redukcijom prelazi u vodikov peroksid (H2O2), tako da se većina energije u stvari gubi u obliku topline. Pošto je vrlo toksičan za stanicu, vodikov peroksid vrlo brzo razgrađuje enzim katalaza.
Drugu reakciju odvajanja acetila CoA od preostalog acil CoA katalizira enzim β-ketotiolaza, koja je po afinitetu prema substratima razičita od mitohondrijske tiolaze.
Beta oksidacija je vrlo važan metabolički proces kod biljnih stanica. Biljke ne koriste ovaj proces za dobivanje energije, već za sintezu bitnih metaboličkih spojeva kao glukoze, saharoze i dr. Beta se oksidacija kod biljaka najviše odvija u stanicama listova i u sjemenu u organelima koji se u ovom slučaju nazivaju glioksisomi.
Beta oksidacija kod životinja
uredi
Za vrijeme hibernacije i kod dugih seoba, neke životinje jako ovise o energetskim rezervama u masnom tkivu. Beta oksidacija postaje osnovni proces dobivanja energije za vrijeme zimskog sna, koje životinje kao npr. medvjed ili puh, koriste za proizvodnju topline, anaboličke procese i membranski transport.
Tokom beta oksidacije oslobađaju se i velike količine vode, koja može zamijeniti izgubljenu količinu vode disanjem ili transpiracijom prilikom znojenja u izuzetno vrućem i suhom okolišu. kod potpune razgradnje jedne molekule masne kiseline npr. palmitinske kiseline moguće je dobiti 23 molekule vode. Najpoznatiji primjer takve prilagodbe su deve, koje imaju velike rezerve masti pohranjene u leđnim grbama. Deve razgrađuju mast iz grba kako bi dobile vodu, što im omogućava preživljavanje u pustinjskom ambijentu, bez potrebe za čestim pristupom izvorima vode.
Reference
uredi- ↑ Nelson, D. L. & Cox, M. M. (2005). Lehninger Principles of Biochemistry, 4. izdanje. New York: W. H. Freeman and Company, ISBN 0-7167-4339-6.