Znaczenie metabolizmu lipidów: reakcje na hydrolizę enzymatyczną w glicerolu
Znaczenie metabolizmu lipidów: reakcje na hydrolizę enzymatyczną w glicerol!
Pierwszym krokiem w degradacji tłuszczów jest trawienie, czyli enzymatyczna hydroliza do glicerolu i kwasów tłuszczowych, z lipazą jako specyficznym enzymem.
Glicerol można następnie fosforylować za pomocą ATP i utlenić do aldehydu fosfoglicerynowego, PGAL.
Proces ten wymaga jednego ATP do fosforylacji, ale daje 3 ATP w przeniesieniu H2 z NAD do 0 2 . PGAL może następnie brać udział w zwykłej sekwencji metabolizmu węglowodanów poprzez glikolizę i cykl Krebsa, proces, który daje 17 ATP dla każdej cząsteczki. Tak więc całkowite oddychanie aerobowe jednej cząsteczki glicerolu daje całkowity zysk netto równy 19 ATP.
Beta Utlenianie kwasów tłuszczowych:
Rozkład oddechowy kwasów tłuszczowych jest znany jako Beta-utlenianie, które występuje w tkance tłuszczowej i wątrobie. Mechanizm został po raz pierwszy odkryty przez Franza Knoopa. W tym utlenianiu drugi lub p-węgiel kwasu tłuszczowego ulega zmianom oksydacyjnym, co powoduje rozdzielenie kolejnych fragmentów 2-węglowych od łańcucha kwasu tłuszczowego, aż pozostaje tylko ostatni fragment 2-węglowy. Enzymy wymagane w utlenianiu P występują w mitochondriach.
1. Aktywacja kwasu tłuszczowego:
Początkowo cząsteczka kwasu tłuszczowego jest wiązana terminalnie z CoA, ATP dostarczając niezbędnej energii.
2. Odwodornienie kwasu aktywowanego:
W procesie odwodornienia jeden H jest usuwany z każdego z atomów węgla α i p, a powstaje nienasycone wiązanie podwójne, -CH = CH-. Konkretnym nośnikiem wodorowym w tej reakcji jest FAD.
3. Nawodnienie:
To rozwiązuje nienasycone podwójne wiązanie i wytwarza grupę alkoholową na węglu β.
4. Konwersja pochodnej β-hydroksylowej Acylu w pochodną β-Keto:
Ta reakcja jest katalizowana przez enzym, β-hydroksy acylo-dehydrogenazę, a NAD działa jako akceptor wodoru. Jest to β-oksydacja, z której cała sekwencja wywodzi swoją nazwę.
5. Reakcja β-Keto-acyl CoA z CoA:
Ta reakcja jest katalizowana przez P-keto-acylo-tiolazę i skutkuje utworzeniem acetylo-CoA i aktywowanego kwasu tłuszczowego, który jest krótszy o 2 atomy węgla niż kompleks aktywacyjny utworzony w reakcji 1, na początku całej sekwencji. Krótszy kompleks może być teraz utleniony P w swojej własnej turze, a kolejne cząsteczki acetylo-CoA mogą zostać odcięte.
Acetyl-CoA wytwarzany w rozpadzie kwasów tłuszczowych może być następnie utleniany do C02 i H20 za pomocą cyklu Krebsa.
Wydajność energii podczas utleniania beta:
W P-utlenianie przeniesienie H2 z FAD do O2 daje 2ATP (nie 3, gdy krok NAD jest ominięty) i analogiczny transfer z NAD daje 3 ATP. Stąd powstaje 5 ATP na cząsteczkę utworzonego acetylo-CoA. Jeśli, na przykład, przyjmujemy kwas stearynowy ( C18 ) jako rzeczywiste paliwo początkowe, wówczas p-utlenianie tego kwasu tłuszczowego może następować sukcesywnie osiem razy, dając acetylo-CoA za każdym razem i pozostawiając dziewiąty acetylo-CoA jako pozostałość.
Przy 5 ATP na p-utlenianie, wydajność wynosi zatem 5 x 8 = 40 ATP, minus 1 ATP wydane na pierwotną aktywację wolnej cząsteczki kwasu stearynowego. Zatem jeden kwas tłuszczowy C 18 daje siatkę 39 cząsteczek ATP i 9 Acetyl CoA. Ten ostatni generuje 9 x 12 lub 108 cząsteczek ATP w cyklu Krebsa, tak że całkowita energia uzyskana z całkowitego oddychania kwasu stearynowego wynosi 147 cząsteczek ATP.
W porównaniu do 38 ATP uzyskanego przez jedną cząsteczkę glukozy, (C6), kwas stearynowy ( C18 ) daje 147 cząsteczek ATP. Tak więc kwasy tłuszczowe są oczywiście bogatszym źródłem użytecznej energii niż równoważne ilości węglowodanów. Jest to powód, dla którego tłuszcze są preferowaną karmą do przechowywania zwierząt i dlaczego metabolizm zwierzęcy jest wysoce zorientowany na tłuszcz.
œ-Utlenianie kwasów tłuszczowych:
W mikrosomach mózgu i innych tkankach oraz roślinach wykazano utlenianie długołańcuchowych kwasów tłuszczowych do α-hydroksykwasów o jeden węgiel mniejszy niż pierwotny substrat, a kwasy tłuszczowe o długich łańcuchach α-hydroksy są składnikami lipidów mózgu. Te hydroksykwasy tłuszczowe można przekształcić w α-ketokwasy, po czym następuje oksydacyjna dekarboksylacja, w wyniku czego powstają długołańcuchowe kwasy tłuszczowe o nieparzystej liczbie atomów węgla.
RCH 2- CH 2- CH 2 -COOH-> RCH 2- CH 2 -CHOH-COOH →
RCH 2- CH 2 -CO-COOH-> RCH 2- CH 2- COOH + CO 2
Początkowy etap a-hydroksylacji jest katalizowany przez monooksygenazę, która wymaga 0 2, Fe 2+ i kwasu askorbinowego lub tetrahydropterydyny. Konwersja a-hydroksykwasu do związanego z enzymem a-keto kwasu jest katalizowana przez dehydrogenazę specyficzną wobec NAD. Końcowa dekarboksylacja obejmuje NAD, ATP i kwas askorbinowy.
ɯ-Utlenianie kwasów tłuszczowych:
Kwasy tłuszczowe o średniej długości łańcucha i, w mniejszym stopniu, długołańcuchowe kwasy tłuszczowe mogą początkowo ulegać ɯ -oksydacji do kwasów tłuszczowych ɯ-hydroksylowych, które są następnie przekształcane w kwasy ɯ-dikarboksylowe. Zaobserwowano to w przypadku enzymów w mikrosomach wątroby i rozpuszczalnych preparatów enzymatycznych z bakterii.
W wątrobie początkowa reakcja jest katalizowana przez monooksygenazę, która wymaga O2, NADPH2 i cytochromu P 450 . Ferrodoksyna zastępuje ostatni związek w mikrobach. Po utworzeniu kwas dikarboksylowy może być skrócony z każdego z końców cząsteczki przez sekwencję P-oksydacyjną.
Wydajność Oddechu Tłuszczowego:
Oprócz większej zawartości energii tłuszczów efektywność oddychania tłuszczem jest jednak w przybliżeniu odpowiednikiem węglowodanów, czyli około 40 procent.
Biosynteza kwasów tłuszczowych i tłuszczów:
Większość żywych organizmów, w tym człowiek, jest w stanie syntetyzować niemal wszystkie ich kwasy tłuszczowe z substancji nie-lipidowych. Materiałem budowlanym jest acetyl CoA. Ponieważ węglowodany i białka mogą ulegać degradacji metabolicznej do acetylo-CoA, mogą one wyraźnie dostarczać prekursorów do tworzenia kwasów tłuszczowych.
Synteza odbywa się w retikulum endoplazmatycznym i cytoplazmie i zasadniczo obejmuje łączenie ze sobą jednostek acetylo-CoA w celu utworzenia długich cząsteczek łańcucha węglowego z uwolnieniem koenzymu.
Wiele różnych enzymów, jak również ATP, NADPH, koenzym A, witamina biotyna i witamina B 12 są niezbędne w syntezie kwasów tłuszczowych z acetylo-CoA. Powstałe w ten sposób kwasy tłuszczowe reagują z fosforanem glicerolu, który powstaje przez redukcję fosforanu dihydroksyaconu, lub bezpośrednią fosforylację glicerolu z ATP w obecności glicerokinazy.
Konwersja tłuszczu w węglowodany - cykl glioksylanowy:
Chociaż powszechną obserwacją jest to, że węglowodany łatwo przekształcają się w tłuszcze w tkankach zwierzęcych, nie ma dowodów na to, że zachodzi odwrotność, a mianowicie przemiana tłuszczów w węglowodany. Jednak w tkankach roślinnych, nasiona zawierające duże ilości tłuszczu szybko przekształcają złogi tłuszczu w sacharozę po kiełkowaniu.
Do niedawna nie był znany mechanizm konwersji tłuszczu w węglowodany. Harry Beevers pod koniec lat 50. i na początku lat 60. odkrył, że konwersja tłuszczów do cukrów nastąpiła w wyniku cyklu glioksylowania. Cykl został po raz pierwszy opisany przez HL Kornberga i Krebsa w niektórych mikroorganizmach, które żyły w środowisku zawierającym octan jako jedyne źródło węgla.
Te mikroorganizmy spełniły wszystkie swoje zapotrzebowanie energetyczne od rozkładu octanu do CO i wody przez acetylo-CoA i wykorzystują acetyl CoA do wytwarzania cukrów i innych materiałów komórkowych.
Cykl glioksylowania jest zasadniczo obejściem z cyklu Krebsa. Ta droga jest w rzeczywistości ułatwiona przez enzymy cyklu Krebsa, chociaż dwa enzymy, izocytataza i syntetaza jabłczanowa są w całości tym szlakiem.
Cykl przechodzi przez 5 kroków, a te trzy to reakcje Krebsa.
Reakcja 1:
(Reakcja cyklu Kreb'a). Acetylo-CoA otrzymany z rozkładu tłuszczu wchodzi w cykl Kreb'a w reakcji z kwasem szczawiooctowym z wytworzeniem kwasu cytrynowego. Sysfetaza cytrynianowa wpływa na tę reakcję.
Reakcja 2:
(Reakcja cyklu Krebsa) Kwas cytrynowy jest izomeryzowany do kwasu izocytrynowego przez aconitową dehydratazę z kwasem cis-akonitowym jako produktem pośrednim.
Reakcja 3:
(Cykl reakcji glioksylowania) Kwas izocytrynowy ulega rozszczepieniu, tworząc kwas bursztynowy i kwas glioksalowy, za pośrednictwem izokatrakazy.
Kwas izocytrynowy → Isocitatase, Glyoxylic acid + Kwas bursztynowy
Reakcja 4:
(Cykl reakcji glioksylowania). Kwas glioksalowy łączy się z innym acetylo-CoA i tworzy kwas jabłkowy za pomocą enzymu syntazy malikowej.
Reakcja 5:
(Reakcja cyklu Krebsa) Kwas jabłkowy przekształca się w kwas szczawiowy w dehydrogenazę jabłkową.
Kwas oksalooctowy użyty w Reakcji 1 do zainicjowania cyklu jest tutaj zawracany w Reakcji 5. Zatem przez jeden obrót tego cyklu dwie cząsteczki acetylo-CoA są przekształcane w kwas dikarboksylowy, taki jak kwas bursztynowy. Kwas bursztynowy zajmuje kluczowe miejsce, ponieważ można go wykorzystać do produkcji porfiryn, amidów, pirymidyn i, co najważniejsze, cukrów.
Gdy jest używany do produkcji cukrów, kwas bursztynowy jest najpierw przekształcany w kwas oksalooctowy w reakcji cyklu Krebsa. Kwas szczawiooctowy dekarboksyluje się następnie do pirogronianu fosfoenolowego (PPP), półproduktu glikolizy. Z PEP jako punktem wyjściowym przez odwrócenie szlaku glikolitycznego, komórki syntetyzują sacharozę.
Cykl glioksylowy znajduje się w mitochondriach komórek, które mają bardzo mało tłuszczu. Ale w nasionach roślin oleistych, takich jak rycynowy, Beevers odkrył glioksysomy, specjalne organelle, które służą jako siedziba cyklu. Zwierzęta nie mają tej ścieżki. Dlatego; są całkowicie niezdolne do wzajemnej konwersji tłuszczów i węglowodanów. Z drugiej strony, mikroorganizmy, które żyją na octanie, mają ten cykl jako jedyny mechanizm generowania cukrów.
