Oxidace mastných kyselin

V přírodě se nejvíce vyskytují MK se sudým počtem uhlíků V přírodě se nejvíce vyskytují MK se sudým počtem uhlíků. Pokud jsou MK nenasycené mají cis konfiguraci dvojných vazeb. Proces degradace MK je nazýván b-oxidace, neboť oxidace začíná na b-uhlíku (C-3).

Triacylglyceroly (triglyceridy) Jsou nejvíce zastoupené lipidy v potravě. Jsou hlavní zásobní formou energie. Většinou jsou smíšené  OH skupiny glycerolu jsou esterifikovány různými MK

Lipasy hydrolyzují triacylglyceroly na glycerol a mastné kyseliny.

Glycerol je přeměněn na meziprodukt glykolýzy dihydroxyacetonfosfát 1 Glycerolkinasa 2 Glycerolfosfátdehydrogenasa

Volné MK jsou v krvi transportovány vázané na albumin (plazmatický protein, který je produkován játry) Existují proteiny, které usnadňují transport MK do buněk. V buňkách jsou MK vázané na vazebný protein pro MK.

Aktivace mastných kyselin: Acyl-CoA-synthetasa (thiokinasa) katalyzuje aktivaci MK, tím že je esterově váže na koenzym A. Aktivace je ATP-dependentní proces, který probíhá ve 2 krocích. Existují různé Acyl-CoA-synthetasy pro MK o různých délkách řetězce.

Acyl-CoA- Synthetasa Exergonická hydrolýza PPi (P~P) je katalyzovaná Pyrofosfatasou 2 ~P vazby ATP jsou štěpeny Vzniká Acyl-CoA, který obsahuje jednu "~" thioesterovou vazbu.

Souhrnné reakce aktivace mastných kyselin: MK + ATP  acyladenylát + PPi PPi  2 Pi acyladenylát + HS-CoA  acyl-CoA + AMP Celková reakce: MK + ATP + HS-CoA  acyl-CoA + AMP + 2 Pi

b-oxidace probíhá v matrix mitochondrií. Aktivace MK probíhá v cytosolu, aby mohly být mastné kyseliny oxidovány musí vstoupit do matrix. Acyl-CoA prochází vnější mitochondriální membránou nikoliv však vnitřní mitochondriální membránou.

Na přenosu MK přes vnitřní mitochondriální membránu se podílí karnitin.  Karnitinpalmitoyltransferasy katalyzují přenos MK mezi thiolovou skupinou koenzymu A a hydroxylem karnitinu.

Přenos MK pomocí karnitinu probíhá ve 3 krocích. 1. Karnitinpalmitoyltransferasa I, enzym vyskytující se na cytosolové straně vnější mitochondriální membrány, přenáší mastné kyseliny. 2. Karnitinacylkarnitintranslokasa ve vnitřní mitochondriální membráně zprostředkovává výměnu karnitinu za acylkarnitin.

3. Karnitinpalmitoyltransferasa II, vyskytuje se v matrix, přenáší MK z karnitinu na CoA (karnitin opouští matrix ve 2. kroku) MK esterově vázaná na CoA je nyní v matrix.

Regulace oxidace MK probíhá zejména na úrovni vstupu MK do mitochondrií Malonyl-CoA (což je mimo jiné prekurzor syntézy MK) inhibuje Karnitinpalmitoyltransferasu I. Malonyl-CoA inhibuje oxidaci MK, tím že zabrání jejich transportu do mitochondrií.

b-Oxidace: Krok 1. Acyl-CoA-dehydrogenasa katalyzuje oxidaci acyl-CoA, vzniká dvojná vazba mezi 2. a 3. uhlíkem Reakce je stereospecifická vzniká trans-enoyl-CoA. FAD funguje jako akceptor elektronů. Existují různé Acyl-CoA-dehydrogenasy pro MK s krátkými (4-6 C), středními (6-10 C), dlouhými (12-18 C) řetězci.

Krok 2. Enoyl-CoA- hydratasa katalyzuje stereospecifickou hydrataci trans dvojné vazby vytvořené v 1. kroku, vzniká tak 3-L-hydroxyacyl-CoA.

Krok 3. Hydroxyacyl-CoA- dehydrogenasa katalyzuje oxidaci hydroxylu v b (C3) poloze na keton. NAD+ funguje jako akceptor elektronů.

Step 4. b-Ketothiolasa katalyzuje thiolytické štěpení. SH skupina koenzymu A atakuje b-keto uhlík. Vzniká acetyl-CoA & acyl-CoA o dva uhlíky kratší.

Souhrnná reakce b-oxidace: acyl-CoA + FAD + NAD+ + HS-CoA  acyl-CoA (o 2 C kratší) + FADH2 + NADH + H+ + acetyl-CoA b-oxidace je cyklický proces. Produkt b-oxidace (acyl-CoA o 2 C kratší) vstupuje do dalšího kola b-oxidace. Jelikož většina MK má sudý počet C, je v posledním kroku reakčního cyklu butyryl-CoA přeměněn na 2 molekuly acetyl-CoA.

Oxidace MK je hlavním zdrojem ATP v buňce FADH2 & NADH produkované při oxidaci MK jsou reoxidovány v dýchacím řetězci. Přenos elektronů v dýchacím řetězci vede k produkci ATP. Acetyl-CoA vstupuje do citrátového cyklu, což vede k další produkci NADH, FADH2, a ATP. Oxidace MK je hlavním zdrojem ATP v buňce

Oxidace MK s lichým počtem uhlíků V posledním kole reakčního cyklu b-oxidace získáme, v případě MK s lichým počtem uhlíků, acetyl-CoA & propionyl-CoA. Propionyl-CoA je přeměněn na succinyl-CoA (intermediát citrátového cyklu), tato přeměna vyžaduje vit B12.

Oxidace nenasycených MK Většina nenasycených MK má cis konfiguraci dvojných vazeb. Tyto MK tudíž nejsou vhodnými substráty pro enoyl- CoA- hydratasu, která vyžaduje trans izomery. Pro oxidaci nenasycených MK jsou tudíž potřeba další enzymy isomerasa a reduktasa

Oxidace MK s velmi dlouhými řetězci probíhá v peroxisomech FADH2 který vzniká v 1. kroku oxidace MK není reoxidován v dýchacím řetězci, ale reakcí s O2: FADH2 + O2  FAD + H2O2 Peroxisomální katalasa rozkládá H2O2: 2 H2O2  2 H2O + O2 Tyto reakce nevedou k tvorbě ATP. Oxidace končí u oktanoyl-CoA, který je odstraněn z peroxisomů vázaný na karnitin a dále je oxidován v mitochondriích

Během hladovění, nebo v důsledku diety chudé na cukry dochází k vyčerpání oxaloacetátu v játrech v důsledku gluokoneogeneze. Tím se zabrání vstupu acetyl-CoA do citrátového cyklu. Acetyl-CoA je tak v mitochondriích jater přeměněn na ketolátky, acetoacetát & b-hydroxybutyrát.

Syntéza ketolátek: b-ketothiolasa poslední krok b-oxidace probíhající v opačném směru. HMG-CoA- synthasa katalyzuje kondenzaci s 3. acetátem z acetyl-CoA. HMG-CoA- lyasa štěpí HMG-CoA na acetoacetát & acetyl-CoA.

b-hydroxybutyrát-dehydrogenasa katalyzuje vzájemnou reverzibilní přeměnu ketolátek: acetoacetátu & b-hydroxybutyrátu Ketolátky jsou krví transportovány do extrahepatálních tkání, kde jsou zpět přeměněny na acetyl-CoA, který vstupuje do citrátového cyklu. Ketolátky tedy fungují jako alternativní zdroj energie. Ketoacidosa nastává v důsledku nadbytku ketolátek.

Syntéza mastných kyselin

Vstupní látkou pro syntézu MK je acetyl-CoA, který je karboxylován na malonyl-CoA. Karboxylace je ATP-dependentní reakce CO2 je odstraněn během kondenzace s rostoucí mastnou kyselinou

Acetyl-CoA- karboxylasa katalyzuje 2stupňovou reakci během které je acetyl-CoA karboxylován na malonyl-CoA. Stejně jako ostatní karboxylasy vyžaduje tento enzym biotin.  Nejdříve probíhá ATP-dependentní karboxylace biotinu poté dochází k přenosu karboxylu na acetyl-CoA.

Souhrnná reakce: HCO3- + ATP + acetyl-CoA  ADP + Pi + malonyl-CoA

Biotin je s enzymem spojen amidovou vazbou mezi karboxylem biotinu a e-amino skupinou lysinu.

Syntéza mastných kyselin z acetyl-CoA & malonyl-CoA zahrnuje sérii reakcí, které jsou: katalyzované jednotlivými doménami velkého polypeptidu, který zahrnuje protein přenášející acyl (ACP – acyl carrier protein). Tento multienzymový komplex se nazývá Synthasa mastných kyselin NADPH funguje jako donor elektronů v obou reakcích, při kterých dochází k redukci substrátu. Hlavním zdrojem NADPH je pentosový cyklus, NADPH dále vzniká při reakcích katalyzovaných jablečným enzymem a cytosolickou isocitrátdehydrogenasou.

Prosthetické skupiny Synthasy mastných kyselin: thiolová skupina cysteinu thiolová skupina fosfopantetheinu (vyskytuje se v CoA). 

Fosfopantethein je kovalentně vázán fosfoesterovou vazbou s OH skupinou serinu proteinu přenášejícího acyl ACP

Acetyl-CoA-ACP Transacylase Malonyl-CoA-ACP Transacylase Kondenzace (krok 3) zahrnuje dekarboxylaci malonylu následovanou atakem acetylu / acylu).

b-keton je redukován na alkohol, donorem ē je NADPH. Dehydratace má za následek vznik trans dvojné vazby. Redukce pomocí NADPH poskytuje nasycený řetězec.

Malonyl-CoA-ACP Transacylase (repeat) Následuje přenos rostoucí MK z fosfopantetheinu na cystein, poté cyklus může začít znova navázáním dalšího malonyl-CoA.

Uvolnění produktu: MK je vázána thioesterovou vazbou na fosfopantethein, když MK dosáhne délky 16-C, katalyzuje thioesterasa její hydrolýzu z fosfopantetheinu. 16-C nasycená mastná kyselina – palmitová je koncovým produktem multienzymového komplexu synthasy mastných kyselin.

Souhrnná reakce (ignoruje H+ & vodu): acetyl-CoA + 7 malonyl-CoA + 14 NADPH  palmitát + 7 CO2 + 14 NADP+ + 8 CoA Zahrneme-li ATP-dependentní syntézu malonátu : 8 acetyl-CoA + 14 NADPH + 7 ATP  palmitát + 14 NADP+ + 8 CoA + 7 ADP + 7 Pi Syntéza MK probíhá v cytosolu. Acetyl-CoA, který je produkovaný mitochondriemi je transportován do cytosolu ve formě citrátu.

Srovnání b-oxidace MK & syntézy MK

Elongace -prodlužování řetězce MK- probíhá v mitochondriích a v ER. V mitochondriích probíhá elongace jako b-oxidace akorát že opačně. V posledním kroku se elongace od b-oxidace odlišuje koenzymem (místo FADH2 využívá NADPH) V ER zahrnuje elongace kondenzaci malonyl-CoA s acyl-CoA. Prodlužování řetězce MK se účastní enzymy elongasy

Desaturasy zavádí dvojné vazby do určité pozice řetězce MK. Savčí buňky nejsou schopné tvořit dvojné vazby v určitých pozicích např. D12 Díky tomu jsou některé polynenasycené MK esenciální např. kys.linolová 18:2 cis D9,12 (18 C kyselina s cis dvojnými vazbami mezi uhlíky 9-10 & 12-13).

Tvorba dvojných vazeb zahrnuje následující membránové proteiny ER: NADH-cyt b5 -reduktasu, s FAD jako prosthetickou skupinou Cytochrom b5 Desaturasu

Reakce shrnující desaturaci stearátu (18:0) na oleát (18:1 cis D9): stearát + NADH + H+ + O2  oleát + NAD+ + 2H2O

Regulace syntézy MK probíhá na úrovni acetyl-CoA-karboxylasy Citrát & Inzulin aktivují tento enzym Acyl-CoA & Glukagon & Adrenalin enzym inhibují