A principal condição para a vida de qualquer organismo é o fornecimento contínuo de energia, que é gasta em diversos processos celulares. Ao mesmo tempo, uma certa parte dos compostos nutrientes não pode ser usada imediatamente, mas pode ser convertida em reservas. O papel de tal reservatório é desempenhado por gorduras (lipídios), consistindo em glicerol e ácidos graxos. Estes últimos são utilizados pela célula como combustível. Neste caso, os ácidos graxos são oxidados a CO2 e H2O.
Bases de ácidos graxos
Os ácidos graxos são cadeias de carbono de vários comprimentos (de 4 a 36 átomos), que são classificados quimicamente como ácidos carboxílicos. Essas cadeias podem ser ramificadas ou não ramificadas e conter diferentes números de ligações duplas. Se estes últimos estiverem completamente ausentes, os ácidos graxos são chamados de saturados (típico para muitos lipídios de origem animal) e, caso contrário -insaturado. De acordo com o arranjo das ligações duplas, os ácidos graxos são divididos em monoinsaturados e poliinsaturados.
A maioria das cadeias contém um número par de átomos de carbono, devido à peculiaridade de sua síntese. No entanto, existem conexões com um número ímpar de links. A oxidação desses dois tipos de compostos é ligeiramente diferente.
Características gerais
O processo de oxidação de ácidos graxos é complexo e de vários estágios. Começa com sua penetração na célula e termina na cadeia respiratória. Ao mesmo tempo, os estágios finais realmente repetem o catabolismo dos carboidratos (o ciclo de Krebs, a transformação da energia do gradiente transmembranar em uma ligação macroérgica). Os produtos finais do processo são ATP, CO2 e água.
A oxidação de ácidos graxos em uma célula eucariótica é realizada nas mitocôndrias (o local de localização mais característico), peroxissomos ou retículo endoplasmático.
Variedades (tipos) de oxidação
Existem três tipos de oxidação de ácidos graxos: α, β e ω. Na maioria das vezes, esse processo ocorre pelo mecanismo β e está localizado nas mitocôndrias. A via ômega é uma alternativa menor ao mecanismo β e é realizada no retículo endoplasmático, enquanto o mecanismo alfa é característico de apenas um tipo de ácido graxo (fitânico).
Bioquímica da oxidação de ácidos graxos nas mitocôndrias
Por conveniência, o processo de catabolismo mitocondrial é convencionalmente dividido em 3 etapas:
- ativação e transporte para mitocôndrias;
- oxidação;
- oxidação da acetil-coenzima A formada através do ciclo de Krebs e da cadeia de transporte elétrico.
A ativação é um processo preparatório que transforma os ácidos graxos em uma forma disponível para transformações bioquímicas, uma vez que essas moléculas são inertes. Além disso, sem ativação, eles não podem penetrar nas membranas mitocondriais. Esta fase ocorre na membrana externa da mitocôndria.
Na verdade, a oxidação é uma etapa chave no processo. Inclui quatro etapas, após as quais o ácido graxo é convertido em moléculas de Acetil-CoA. O mesmo produto é formado durante a utilização de carboidratos, de modo que as etapas subsequentes são semelhantes às últimas etapas da glicólise aeróbica. A formação do ATP ocorre na cadeia de transporte de elétrons, onde a energia do potencial eletroquímico é utilizada para formar uma ligação macroérgica.
No processo de oxidação dos ácidos graxos, além do Acetil-CoA, também são formadas moléculas de NADH e FADH2, que também entram na cadeia respiratória como doadoras de elétrons. Como resultado, a produção total de energia do catabolismo lipídico é bastante alta. Assim, por exemplo, a oxidação do ácido palmítico pelo mecanismo β dá 106 moléculas de ATP.
Ativação e transferência para a matriz mitocondrial
Os ácidos graxos são inertes e não podem ser oxidados. A ativação os traz para uma forma disponível para transformações bioquímicas. Além disso, essas moléculas não podem entrar na mitocôndria in alteradas.
A essência da ativação éa conversão de um ácido graxo em seu Acil-CoA-tioéster, que posteriormente sofre oxidação. Este processo é realizado por enzimas especiais - tioquinases (Acil-CoA sintetases) ligadas à membrana externa das mitocôndrias. A reação ocorre em 2 etapas, associadas ao gasto de energia de dois ATPs.
Três componentes são necessários para ativação:
- ATF;
- HS-CoA;
- Mg2+.
Primeiro, o ácido graxo reage com ATP para formar aciladenilato (um intermediário). Este, por sua vez, reage com HS-CoA, cujo grupo tiol desloca o AMP, formando uma ligação tioéter com o grupo carboxila. Como resultado, forma-se a substância acil-CoA - um derivado de ácido graxo, que é transportado para a mitocôndria.
Transporte para as mitocôndrias
Esta etapa é chamada de transesterificação com carnitina. A transferência de acil-CoA para a matriz mitocondrial é realizada através dos poros com a participação de carnitina e enzimas especiais - carnitina aciltransferases.
Para transporte através das membranas, CoA é substituído por carnitina para formar acil-carnitina. Esta substância é transportada para a matriz por difusão facilitada do transportador acil-carnitina/carnitina.
Dentro da mitocôndria, ocorre uma reação inversa, que consiste no descolamento do retinal, que novamente entra nas membranas, e na restauração do acil-CoA (neste caso, é utilizada a coenzima A "local", e não aquele com o qual o vínculo foi formadona fase de ativação).
Principais reações de oxidação de ácidos graxos por mecanismo β
O tipo mais simples de utilização de energia dos ácidos graxos é a β-oxidação de cadeias que não possuem ligações duplas, nas quais o número de unidades de carbono é par. O substrato para este processo, como observado acima, é acil coenzima A.
O processo de β-oxidação de ácidos graxos consiste em 4 reações:
- A desidrogenação é a separação do hidrogênio de um átomo de carbono β com a formação de uma ligação dupla entre os elos da cadeia localizados nas posições α e β (primeiro e segundo átomos). Como resultado, forma-se enoil-CoA. A enzima da reação é a acil-CoA desidrogenase, que atua em combinação com a coenzima FAD (esta última é reduzida a FADH2).
- Hidratação é a adição de uma molécula de água ao enoil-CoA, resultando na formação de L-β-hidroxiacil-CoA. Realizado por enoil-CoA-hidratase.
- Desidrogenação - oxidação do produto da reação anterior pela desidrogenase dependente de NAD com a formação da β-cetoacil-coenzima A. Neste caso, o NAD é reduzido a NADH.
- Clivagem de β-cetoacil-CoA em acetil-CoA e um acil-CoA encurtado com 2 carbonos. A reação é realizada sob a ação da tiolase. Um pré-requisito é a presença de HS-CoA gratuito.
Então tudo recomeça com a primeira reação.
A repetição cíclica de todas as etapas é realizada até que toda a cadeia carbônica do ácido graxo seja convertida em moléculas de acetil-coenzima A.
Formação de Acetil-CoA e ATP no exemplo da oxidação de palmitoil-CoA
No final de cada ciclo, as moléculas de acil-CoA, NADH e FADH2 são formadas em uma única quantidade, e a cadeia de acil-CoA-tioéter fica mais curta em dois átomos. Ao transferir elétrons para a cadeia de eletrotransporte, o FADH2 fornece uma molécula e meia de ATP e o NADH duas. Como resultado, 4 moléculas de ATP são obtidas de um ciclo, sem contar o rendimento energético do acetil-CoA.
A cadeia do ácido palmítico tem 16 átomos de carbono. Isso significa que na fase de oxidação devem ser realizados 7 ciclos com a formação de oito acetil-CoA, e o rendimento energético de NADH e FADH2 neste caso será de 28 moléculas de ATP (4×7). A oxidação do acetil-CoA também vai para a formação de energia, que é armazenada como resultado dos produtos do ciclo de Krebs que entram na cadeia de transporte elétrico.
Rendimento total das etapas de oxidação e ciclo de Krebs
Como resultado da oxidação do acetil-CoA, são obtidas 10 moléculas de ATP. Como o catabolismo do palmitoil-CoA produz 8 acetil-CoA, o rendimento energético será de 80 ATP (10×8). Se você adicionar isso ao resultado da oxidação de NADH e FADH2, você obtém 108 moléculas (80+28). Desta quantidade, devem ser subtraídos 2 ATP, que foram para ativar o ácido graxo.
A equação final para a oxidação do ácido palmítico será: palmitoil-CoA + 16 O2 + 108 Pi + 80 ADP=CoA + 108 ATP + 16 CO2 + 16 H2O.
Cálculo da liberação de energia
Escape de energiado catabolismo de um determinado ácido graxo depende do número de unidades de carbono em sua cadeia. O número de moléculas de ATP é calculado pela fórmula:
[4(n/2 - 1) + n/2×10] - 2, onde 4 é a quantidade de ATP gerada durante cada ciclo devido ao NADH e FADH2, (n/2 - 1) é o número de ciclos, n/2×10 é o rendimento de energia da oxidação do acetil- CoA, e 2 é o custo de ativação.
Características das reações
A oxidação de ácidos graxos insaturados tem algumas particularidades. Assim, a dificuldade de oxidar cadeias com duplas ligações reside no fato de que estas últimas não podem ser expostas à enoil-CoA-hidratase devido ao fato de estarem na posição cis. Este problema é eliminado pela enoil-CoA isomerase, devido à qual a ligação adquire uma configuração trans. Como resultado, a molécula torna-se completamente idêntica ao produto do primeiro estágio de beta-oxidação e pode sofrer hidratação. Sítios contendo apenas ligações simples oxidam da mesma forma que ácidos saturados.
Às vezes a enoil-CoA-isomerase não é suficiente para continuar o processo. Isso se aplica a cadeias nas quais a configuração cis9-cis12 está presente (ligações duplas nos 9º e 12º átomos de carbono). Aqui, não só a configuração é um obstáculo, mas também a posição das ligações duplas na cadeia. Este último é corrigido pela enzima 2,4-dienoil-CoA redutase.
Catabolismo de ácidos graxos ímpares
Este tipo de ácido é típico para a maioria dos lipídios de origem natural (natural). Isso cria uma certa complexidade, pois cada cicloimplica encurtar por um número par de links. Por esta razão, a oxidação cíclica dos ácidos graxos superiores deste grupo continua até o aparecimento de um composto de 5 carbonos como um produto, que é clivado em acetil-CoA e propionil-coenzima A. Ambos os compostos entram em outro ciclo de três reações, como resultado da formação de succinil-CoA. É ele quem entra no ciclo de Krebs.
Características da oxidação em peroxissomos
Nos peroxissomos, a oxidação dos ácidos graxos ocorre por meio de um mecanismo beta semelhante, mas não idêntico, ao mitocondrial. Também consiste em 4 etapas, culminando na formação do produto na forma de acetil-CoA, mas possui várias diferenças importantes. Assim, o hidrogênio cindido na etapa de desidrogenação não restaura o FAD, mas passa para o oxigênio com a formação de peróxido de hidrogênio. Este último sofre imediatamente clivagem sob a ação da catalase. Como resultado, a energia que poderia ter sido usada para sintetizar ATP na cadeia respiratória é dissipada como calor.
A segunda diferença importante é que algumas enzimas do peroxissomo são específicas para certos ácidos graxos menos abundantes e não estão presentes na matriz mitocondrial.
A característica dos peroxissomos das células hepáticas é que não há aparato enzimático do ciclo de Krebs. Portanto, como resultado da beta-oxidação, são formados produtos de cadeia curta, que são transportados para a mitocôndria para oxidação.
