Zsírsav oxidációt a máj, vese (májhoz hasonló funkciókat szinte mindig képes elvégezni, de tömege sokkal kisebb!), szív, vázizom végez Franz Knoop írta le először a mechanizmusát.
1. lépés: aktiváció (a sejt citoplazmájában, a rövid zsírsavak, C12 alatt nem aktiválódnak)
acil-KoA szintetáznak 3 izoenzime létezik, zsírsavlánc hosszától függően vesznek részt a reakcióban
2. lépés: citoszolból mitokondriumba való transzportálás. KoA-hoz kötött zsírsavak nem tudnak egyszerűen belépni a mitkondriumba – transzport karnitin segítségével, amfipatikus jellegű molekula, hozzá foszfátészter-kötéssel kapcsolódik a zsírsav. Karnitin deficiencia: karnitin szintézis nem lehetséges, nem tud elégni a zsírsav. Karnitin transzportrendszer ábra!
3. lépés: maga a béta-oxidáció (páros szénatomszámú, telített zsírsavak oxidációja) - béta szénatomon zajlik le oxidáció. Négy enzimatikus lépés:
C15H31COOH + 8 KoA + ATP + 7 FAD + 7 NAD+ + 7 H2O – 8 acetil-KoA + AMP + 2Pi + 7 FADH2 + 7 NADH+H+
Összes ATP termelés:
ÖSSZESEN: 131 ATP, ebből levonunk kettőt, mert két nagyenergiájú kötés bontására volt szükség. 129 ATP
Mérési eredmények mást mutatnak: NADH+H+ - 2,5 ATP, FADH2 - 1,5 ATP – 108 ATP-ből 2 – 106 ATP felhasználható.
fontos! – ritka zsírsavak, de a táplálékban előfordulnak! Béta oxidáció során számos acetil-KoA és egy propionil-KoA keletkezik – propionil-KoA metabolizmusa a lényeges:
Propionil-KoA – szukcinil-KoA útvonal a páratlan szénatomszámú zsírsavak lebontása mellett: valin, izoleucin, metionin, treonin (aminosav anyagcsere) és a timin (nukleotid anyagcsere) lebontásában is jelen van!
Legfontosabb szabályozó molekula – malonil-KoA. Májban: glukóz – piruvát – acetil-KoA. Zsírsavak - acil-KoA – acetil-KoA.
Acetil-KoA – karboxilázzal malonil–KoA keletkezhet, zsírsav bioszintézis felé irányuló folyamat. Malonil-KoA gátolja a zsírsav mitokondriumba való bejutását, így nem zajlik a béta oxidáció – vagy szintézis, vagy lebontás! Malonil-KoA a karnitin aciltranszferáz I-et gátolja, aktivált zsírsav a citoszolban marad. Kiegészítő szabályozó: béta-hidroxiacil-KoA dehidrogenázt allosztérikusan NAD+H+ gátol, NAD+ aktivál, tioláz működését gátolja a magas acetil-KoA szint.
Béta-oxidáció a peroxiszómában (nagyon hosszú szénláncú zsírsavak oxidációja itt történik, pl. C24 – lignocerin-KoA). Nem a légzési lánchoz kötött: H2O2 keletkezik, kataláz eliminálja – nem az energiatermelés a cél, hanem a hosszú szénláncú zsírsavakat távolítja el a rendszer.
Zsírsavak alfa-oxidációja: alfa szénatomon zajlik az oxidáció – először hidroxil, majd ketocsoport épül be, spontán lehasad az eredeti karboxilcsoport a két oxocsoport egymás mellett való elhelyezkedéséből fakadó elektroneltolódás, taszítás miatt. A visszamaradó zsírsavlánc béta-oxidációba léphet. Jelentőség: elágazó szénláncú zsírsavakban fitolok (pl. klorofillban, tehéntej, disznózsír tartalmazza) – béta oxidációba azonnal nem léphet.
Helye: máj, zsírszövet, vese, agy, tüdő
Nem a béta-oxidáció megfordítása – különbségek: nem a mitokondriumban, hanem a citoszolban történik, nem FAD-dal, NAD+-dal, hanem NADH-val működik, nem acetil-KoA hasad le, hanem malonil-KoA kondenzál, nem KoA-hoz kötött, hanem ACP fehérjéhez.
Zsírsav-bioszintézis 4 szakasza:
Kisebb részben karnitin-acetil-karnitin cseretranszporter átviszi, nagyobb részben: citráton keresztüli transzport – acetil-KoA citráttá alakul, trikarboxilát transzporter kijuttatja, ATP és KoA segítségével, citrát liáz által oxálacetát keletkezik és acetil-KoA. Az oxálacetát maláttá redukálódik (NADH oxidációja mellett), malát bekerül a mitokondriumba, oxálacetáttá oxidálódik (NAD redukciója mellett).
Acetil-KoA: szénhidrátokból származik (jóllakottsági állapotban), éhezésben nem szintetizálódik belőle zsír, ketontestek lesznek.
Citrát: jóllakottsági állapot – sok ATP, izocitrát-dehidrogenáz enzim allosztérikus inhibitora, citrát és izocitrát mennyisége felszaporodik a citrátkör blokkolása miatt, citrát kijuthat a mitokondriumból.
Malonil-KoA szintézise – elkötelező lépés a zsírsav bioszintézisben, emellett a malonil-KoA regulátor is. Acetil-KoA – CO2 fixálás, ATP hidrolíziséhez kapcsolt, acetil-KoA karboxiláz biotin koenzimmel, malonil-KoA keletkezik. (Malonátként nem jelenik meg, KoA-hoz kapcsolódik!)
Biotin szerkezete: B vitamin család, imidazol és tiofén gyűrűk, karja 4 C-atomos lánc, majd lizin savamid (nem peptidkötés, mert az egyik komponens nem aminosav) kötéssel kapcsolódik, lizin a biotin-fehérje része.
BIOTIN FÜGGŐ ENZIMEK (karboxilázok): (fontos!) piruvát karboxiláz (glukoneogenezis első lépése), acetil-KoA karboxiláz (zsírsav bioszintézis első lépése), propionil-KoA karboxiláz (propionil-KoA – metil-malonil-KoA átalakulás), béta-metil-krotonil-KoA karboxiláz (leucin és izoprének lebontása) – ez kevésbé jelentős
Biotinon fixálódik biotin karboxiláz enzim segítségével, ehhez köt az acetil-KoA, majd leválik a malonil-KoA.
Acetil-transzaciláz által KoA-ról kondenzáló enzimre kerül (KE) az acetilcsoport, malonil-transzaciláz által malonil KoA-ról ACP-re kerül, acil karrier protein, foszfopantetein kofaktorral működik (36. szerinre)
Acil-malonil-kondenzáló enzim (béta-ketoacil-ACP szintetáz) által két molekula kondenzál, távozik egy CO2 (katalitikus CO2), ACP-n a termék.
Acetilcsoportból származó ketocsoport redukálódik, NADPH oxidációja mellett, két hidrogén beépülésével D-béta-butiril-ACP keletkezik. Dehidratáz enzim vizet von el, alfa-béta szénatomok között átmeneti kettős kötés, redukáló lépés, telítetlen kötésből telített kötés alakul ki, butirilcsoport ACP-hez kapcsolva. Újabb malonil-KoA kondenzálhat hozzá – további lánchosszabbítás. Palmitinsavig: már nem szubsztrátja a zsírsav-szintetáz komplexnek, befejeződik a szintézis, leválik a komplexről.
Zsírsav-szintetáz enzimkomplex: 6 enzim, 2300 kDa, egyes enzimek külön nem izolálhatók. Komplex közepén ACP, foszfopantetein-kar kinyúlik és mozgatja az intermediert.
acetil-KoA + 7 malonil-KoA, 14 NADPH+H+ - palmitinsav, 7 CO2 + 8 KoA + 14 NADP + 7H2O, azaz a malonil-KoA keletkezésével 8 acetil-KoA + 14 NADPH + 7ATP – palmitinsav + 8 KoA + 14 NADP + 7 ADP + 7 Pi + 7 H2O
redukált NADPH: glukóz direkt oxidációjával (2db/glukóz), almasav enzim, izocitrát-dehidrogenázC16-nál hosszabb szénláncú zsírsavak: endoplazmás retikulumban, C22 és C24 az agyban jelentős. Szintén malonil-KoA kondenzál, NADPH szükséges, KoA-hoz, nem ACP-hez kötött. Mitokondriumban: C12-től C-18-ig, béta oxidáció megfordítása, acetil-KoA kondenzál, NADPH kell, ACP nincs – kevésbé jelentős.
Zsírsavak lebontásával egyensúlyban van – a kettő egyszerre nem működik, amelyik aktiválja a bioszintézist, általában gátolja a lebontást. Legfontosabb szabályozott enzim: acetil-KoA karboxiláz (első elkötelező lépést katalizáló enzim), két formája van: monomer és polimer – aktív forma. Allosztérikus/kovalens módosítás ezt az átalakulást befolyásolja. Allosztérikus aktivátor: citrát, jóllakottság után ATP gátolja a citrátkört, citrát kitranszportálhat, mivel felszaporodik. Inhibitor: palmitoil-KoA – terméke gátol. Kovalens módosítás: glukagon, adrenalin – cAMP (G fehérjén keresztül) – PKA – foszforiláció gátol, inzulin („jóllakottság”) – tirozin-kináz aktiváció - defoszforiláció, aktiválás.
Két enzimrendszer – palmitinsavba/sztearinsavba egy telítetlen kötés, többszörösen telítetlen zsírsavszintézis. Béta-oxidációban, zsírsavszintézisben intermedierek transz-enoil helyzetűek kettős kötés esetén – telítetlen zsírsavak viszont cisz helyzetűek. Margarinok: telítetlen zsírsavak kötéseit ciszből transz helyzetűvé alakítják, mert szilárdabb lesz – transz helyzetű károsabb, mint a cisz-enoil.
ER: kevert funkciójú oxigenáz komplex, delta-9-sztearil-KoA deszaturáz – olajsavat képez. delta-4,5,6 – sztearil-KoA deszaturáz többszörösen telítetlent is létre tud hozni. C10-C18 között nincs enzim, amely telítetlen kötést hozhatna létre – linolsav (C12-13 között is van kettős kötés) és linolénsav (C15-16 között is van kettős kötés) esszenciális. Omega-3, 6 zsírsav (tengeri halakban nagy mennyiség fordul elő): utolsó szénatomtól számított 2-3 és 5-6 helyzetben van cisz helyzetű kettős kötés.