Kondisi utama untuk kehidupan organisme apa pun adalah pasokan energi yang berkelanjutan, yang dihabiskan untuk berbagai proses seluler. Pada saat yang sama, bagian tertentu dari senyawa nutrisi tidak dapat langsung digunakan, tetapi dapat diubah menjadi cadangan. Peran reservoir semacam itu dilakukan oleh lemak (lipid), yang terdiri dari gliserol dan asam lemak. Yang terakhir ini digunakan oleh sel sebagai bahan bakar. Dalam hal ini, asam lemak dioksidasi menjadi CO2 dan H2O.
Dasar asam lemak
Asam lemak adalah rantai karbon dengan berbagai panjang (dari 4 hingga 36 atom), yang secara kimia diklasifikasikan sebagai asam karboksilat. Rantai ini dapat bercabang atau tidak bercabang dan mengandung jumlah ikatan rangkap yang berbeda. Jika yang terakhir benar-benar tidak ada, asam lemak disebut jenuh (khas untuk banyak lipid yang berasal dari hewan), dan sebaliknya -tak jenuh. Menurut susunan ikatan rangkap, asam lemak dibagi menjadi tak jenuh tunggal dan tak jenuh ganda.
Kebanyakan rantai mengandung jumlah atom karbon yang genap, yang disebabkan oleh kekhasan sintesisnya. Namun, ada koneksi dengan jumlah tautan ganjil. Oksidasi kedua jenis senyawa ini sedikit berbeda.
Karakteristik umum
Proses oksidasi asam lemak adalah kompleks dan multi-tahap. Ini dimulai dengan penetrasi mereka ke dalam sel dan berakhir di rantai pernapasan. Pada saat yang sama, tahap akhir sebenarnya mengulangi katabolisme karbohidrat (siklus Krebs, transformasi energi gradien transmembran menjadi ikatan makroergik). Produk akhir dari proses ini adalah ATP, CO2 dan air.
Oksidasi asam lemak dalam sel eukariotik dilakukan di mitokondria (tempat lokalisasi paling khas), peroksisom atau retikulum endoplasma.
Varietas (jenis) oksidasi
Ada tiga jenis oksidasi asam lemak:, dan. Paling sering, proses ini berlangsung melalui mekanisme dan terlokalisasi di mitokondria. Jalur omega adalah alternatif minor untuk mekanisme dan dilakukan di retikulum endoplasma, sedangkan mekanisme alfa merupakan karakteristik hanya satu jenis asam lemak (phytanic).
Biokimia oksidasi asam lemak di mitokondria
Untuk kenyamanan, proses katabolisme mitokondria secara konvensional dibagi menjadi 3 tahap:
- aktivasi dan transportasi ke mitokondria;
- oksidasi;
- oksidasi asetil-koenzim A yang terbentuk melalui siklus Krebs dan rantai transpor listrik.
Aktivasi adalah proses persiapan yang mengubah asam lemak menjadi bentuk yang tersedia untuk transformasi biokimia, karena molekul-molekul ini sendiri bersifat inert. Selain itu, tanpa aktivasi, mereka tidak dapat menembus membran mitokondria. Tahap ini terjadi di membran luar mitokondria.
Sebenarnya, oksidasi adalah langkah kunci dalam prosesnya. Ini mencakup empat tahap, setelah itu asam lemak diubah menjadi molekul Asetil-KoA. Produk yang sama terbentuk selama penggunaan karbohidrat, sehingga langkah-langkah selanjutnya serupa dengan langkah-langkah terakhir glikolisis aerobik. Pembentukan ATP terjadi pada rantai transpor elektron, dimana energi potensial elektrokimia digunakan untuk membentuk ikatan makroergik.
Dalam proses oksidasi asam lemak, selain Asetil-KoA, juga terbentuk molekul NADH dan FADH2, yang juga masuk ke dalam rantai respirasi sebagai donor elektron. Akibatnya, output energi total katabolisme lipid cukup tinggi. Jadi, misalnya, oksidasi asam palmitat dengan mekanisme menghasilkan 106 molekul ATP.
Aktivasi dan transfer ke matriks mitokondria
Asam lemak itu sendiri bersifat inert dan tidak dapat dioksidasi. Aktivasi membawa mereka ke dalam bentuk yang tersedia untuk transformasi biokimia. Selain itu, molekul-molekul ini tidak dapat memasuki mitokondria tanpa perubahan.
Inti dari aktivasi adalahkonversi asam lemak menjadi Asil-KoA-tioester, yang kemudian mengalami oksidasi. Proses ini dilakukan oleh enzim khusus - thiokinase (Acyl-CoA synthetases) yang melekat pada membran luar mitokondria. Reaksi berlangsung dalam 2 tahap, terkait dengan pengeluaran energi dua ATP.
Tiga komponen diperlukan untuk aktivasi:
- ATF;
- HS-CoA;
- Mg2+.
Pertama, asam lemak bereaksi dengan ATP membentuk asiladenilat (zat antara). Itu, pada gilirannya, bereaksi dengan HS-CoA, gugus tiol yang menggantikan AMP, membentuk ikatan tioeter dengan gugus karboksil. Akibatnya, zat asil-CoA terbentuk - turunan asam lemak, yang diangkut ke mitokondria.
Transportasi ke mitokondria
Langkah ini disebut transesterifikasi dengan karnitin. Pemindahan asil-KoA ke matriks mitokondria dilakukan melalui pori-pori dengan partisipasi karnitin dan enzim khusus - karnitin asiltransferase.
Untuk transportasi melintasi membran, CoA digantikan oleh karnitin untuk membentuk asil-karnitin. Zat ini diangkut ke dalam matriks melalui difusi terfasilitasi transporter asil-karnitin/karnitin.
Di dalam mitokondria, reaksi terbalik terjadi, yang terdiri dari pelepasan retina, yang kembali memasuki membran, dan pemulihan asil-KoA (dalam hal ini, koenzim A "lokal" digunakan, dan bukan yang dengannya ikatan itu terbentukpada tahap aktivasi).
Reaksi utama oksidasi asam lemak dengan mekanisme
Jenis pemanfaatan energi asam lemak yang paling sederhana adalah -oksidasi rantai yang tidak memiliki ikatan rangkap, yang jumlah unit karbonnya genap. Substrat untuk proses ini, seperti disebutkan di atas, adalah asil koenzim A.
Proses -oksidasi asam lemak terdiri dari 4 reaksi:
- Dehidrogenasi adalah pemisahan hidrogen dari atom karbon dengan pembentukan ikatan rangkap antara mata rantai yang terletak di posisi dan (atom pertama dan kedua). Akibatnya, enoil-CoA terbentuk. Enzim reaksinya adalah asil-KoA dehidrogenase, yang bekerja dalam kombinasi dengan koenzim FAD (yang terakhir direduksi menjadi FADH2).
- Hidrasi adalah penambahan molekul air ke enoil-KoA, menghasilkan pembentukan L-β-hidroksiasil-KoA. Dilakukan oleh enoyl-CoA-hydratase.
- Dehidrogenasi - oksidasi produk dari reaksi sebelumnya oleh dehidrogenase yang bergantung pada NAD dengan pembentukan -ketoasil-koenzim A. Dalam hal ini, NAD+ direduksi menjadi NADH.
- Pemecahan -ketoasil-KoA menjadi asetil-KoA dan asil-KoA 2-karbon yang diperpendek. Reaksi dilakukan di bawah aksi tiolase. Prasyarat adalah adanya HS-CoA gratis.
Lalu semuanya dimulai lagi dengan reaksi pertama.
Pengulangan siklik dari semua tahap dilakukan sampai seluruh rantai karbon asam lemak diubah menjadi molekul asetil-koenzim A.
Pembentukan Asetil-KoA dan ATP pada contoh oksidasi palmitoil-KoA
Pada akhir setiap siklus, molekul asil-KoA, NADH dan FADH2 terbentuk dalam jumlah tunggal, dan rantai asil-KoA-tioeter menjadi lebih pendek sebanyak dua atom. Dengan mentransfer elektron ke rantai elektrotranspor, FADH2 memberikan satu setengah molekul ATP, dan NADH dua. Hasilnya, 4 molekul ATP diperoleh dari satu siklus, tidak termasuk energi yang dihasilkan asetil-KoA.
Rantai asam palmitat memiliki 16 atom karbon. Artinya pada tahap oksidasi harus dilakukan 7 siklus dengan pembentukan delapan asetil-KoA, dan energi yang dihasilkan dari NADH dan FADH2 dalam hal ini akan menjadi 28 molekul ATP (4×7). Oksidasi asetil-KoA juga menuju pembentukan energi, yang disimpan sebagai hasil dari produk siklus Krebs yang memasuki rantai transpor listrik.
Total hasil tahap oksidasi dan siklus Krebs
Sebagai hasil oksidasi asetil-KoA, diperoleh 10 molekul ATP. Karena katabolisme palmitoil-KoA menghasilkan 8 asetil-KoA, energi yang dihasilkan adalah 80 ATP (10x8). Jika Anda menambahkan ini ke hasil oksidasi NADH dan FADH2, Anda mendapatkan 108 molekul (80+28). Dari jumlah ini, 2 ATP harus dikurangi, yang digunakan untuk mengaktifkan asam lemak.
Persamaan akhir untuk oksidasi asam palmitat adalah: palmitoil-KoA + 16 O2 + 108 Pi + 80 ADP=CoA + 108 ATP + 16 CO 2 + 16 H2O.
Perhitungan pelepasan energi
Energy exhaustpada katabolisme asam lemak tertentu tergantung pada jumlah unit karbon dalam rantainya. Jumlah molekul ATP dihitung dengan rumus:
[4(n/2 - 1) + n/2×10] - 2, di mana 4 adalah jumlah ATP yang dihasilkan selama setiap siklus karena NADH dan FADH2, (n/2 - 1) adalah jumlah siklus, n/2×10 adalah energi yang dihasilkan dari oksidasi asetil- CoA, dan 2 adalah biaya aktivasi.
Fitur reaksi
Oksidasi asam lemak tak jenuh memiliki beberapa kekhasan. Dengan demikian, kesulitan mengoksidasi rantai dengan ikatan rangkap terletak pada kenyataan bahwa yang terakhir tidak dapat terkena enoil-KoA-hidratase karena fakta bahwa mereka berada dalam posisi cis. Masalah ini dihilangkan oleh enoyl-CoA isomerase, yang menyebabkan ikatan memperoleh konfigurasi trans. Akibatnya, molekul menjadi benar-benar identik dengan produk tahap pertama beta-oksidasi dan dapat mengalami hidrasi. Situs yang hanya mengandung ikatan tunggal teroksidasi dengan cara yang sama seperti asam jenuh.
Terkadang enoyl-CoA-isomerase tidak cukup untuk melanjutkan proses. Ini berlaku untuk rantai yang memiliki konfigurasi cis9-cis12 (ikatan rangkap pada atom karbon ke-9 dan ke-12). Di sini, tidak hanya konfigurasi yang menjadi penghalang, tetapi juga posisi ikatan rangkap dalam rantai. Yang terakhir dikoreksi oleh enzim 2,4-dienoyl-CoA reduktase.
Katabolisme asam lemak ganjil
Jenis asam ini khas untuk sebagian besar lipid yang berasal dari alam (alami). Ini menciptakan kompleksitas tertentu, karena setiap siklusmenyiratkan pemendekan dengan jumlah tautan genap. Untuk alasan ini, oksidasi siklik asam lemak yang lebih tinggi dari kelompok ini berlanjut sampai munculnya senyawa 5-karbon sebagai produk, yang dipecah menjadi asetil-KoA dan propionil-koenzim A. Kedua senyawa memasuki siklus lain dari tiga reaksi, sebagai akibatnya suksinil-KoA terbentuk. Dialah yang memasuki siklus Krebs.
Fitur oksidasi dalam peroksisom
Dalam peroksisom, oksidasi asam lemak terjadi melalui mekanisme beta yang mirip, tetapi tidak identik, dengan mitokondria. Ini juga terdiri dari 4 tahap, yang berpuncak pada pembentukan produk dalam bentuk asetil-KoA, tetapi memiliki beberapa perbedaan utama. Jadi, pemisahan hidrogen pada tahap dehidrogenasi tidak mengembalikan FAD, tetapi beralih ke oksigen dengan pembentukan hidrogen peroksida. Yang terakhir segera mengalami pembelahan di bawah aksi katalase. Akibatnya, energi yang dapat digunakan untuk mensintesis ATP dalam rantai pernapasan hilang sebagai panas.
Perbedaan penting kedua adalah bahwa beberapa enzim peroksisom spesifik untuk asam lemak tertentu yang kurang melimpah dan tidak ada dalam matriks mitokondria.
Fitur peroksisom sel hati adalah tidak adanya peralatan enzimatik dari siklus Krebs. Oleh karena itu, sebagai hasil oksidasi beta, produk rantai pendek terbentuk, yang diangkut ke mitokondria untuk oksidasi.
