Biochemia w pigułce

Wykład 3

Spalanie i synteza tłuszczów.

Na kolejnym wykładzie z serii „Biochemia w pigułce” omówione zostaną szlaki metaboliczne spalania tłuszczów oraz ich syntezy. Spalanie tłuszczów to przede wszystkim zachodząca w mitochondriach beta-oksydacja kwasów tłuszczowych. Jeśli chodzi o syntezę to omówiona zostanie zachodząca w cytoplazmie synteza kwasów tłuszczowych. Na pierwszy ogień weźmy się za procesy spalania, gdyż będzie to naturalna kontynuacja poprzedniego wykładu dotyczącego spalania węglowodanów.

Trigliceryd – to podstawowy związek chemiczny będący paliwem tłuszczowym. Może on krążyć we krwi samodzielnie. Może wchodzić w skład frakcji lipidowych osocza takich jak VLDL, LDL, HDL, chylomikrony, w których to jest on transportowany pomiędzy różnymi tkankami organizmu. Może być wreszcie odłożony jako zapas w komórkach tłuszczowych. Pierwszy etap spalania cząsteczki triglicerydu zachodzi w większości o dziwo w tkance tłuszczowej. Dotyczy to zarówno triglicerydów krążących we krwi, jak i tych uwalnianych z tkanki tłuszczowej. Polega on na rozkładzie cząsteczki na glicerol i 3 kwasy tłuszczowe. Kwasy tłuszczowe dostają się do krwi, skąd są pobierane przez tkanki celem spalenia.

Los glicerolu zależy natomiast od obecności w danej tkance enzymu kinazy glicerolowej, który przyłącza doń grupę fosforanową. Jeśli tkanka posiada ten enzym, glicerol zostaje przekształcony do gliceraldehydo-3P, związku pośredniego glikolizy i cyklu pentozowego. Następuje wtedy jego spalenie lub zużycie do syntez. Jeśli tkanka tego enzymu nie ma, glicerol jest wyrzucony do krwi. Krąży on tam tak długo, aż trafi do tkanki, która ten enzym posiada. Enzymu tego nie ma w tkance tłuszczowej. To jest bardzo ważna informacja dla wszystkich, którzy mają problem z nadwagą. Oznacza, że glicerol powstały z rozpadu triglicerydu nie może zostać zużyty od odbudowy nowej cząsteczki triglicerydu. Ten arcyważny szczegół zostanie dokładnie omówiony w niedalekiej przyszłości.

Zakładając, że cząsteczka glicerolu zostałaby całkowicie spalona, podsumowanie wszystkich pośrednich reakcji (zamiana na pirogronian, acetylo-CoA i spalenie w cyklu Krebsa) będzie wyglądać następująco:

C₃H₈O₃(glicerol) +  3½ O₂ +  22 P + 22 ADP                        =>        3 CO₂ + 4 H₂O  + 22 ATP

W przeliczeniu na gramy natomiast – ze 100g glicerolu uzyskać można 23.9 mola ATP. Jest to wartość porównywalna z glukozą (21.1mola/100g).

Przeanalizujmy teraz los uwolnionych kwasów tłuszczowych. Jakkolwiek w biochemii mówi się o Wolnych Kwasach Tłuszowych (WKT), to faktycznie nie poruszają się one samodzielnie we krwi, lecz są transportowane przez białka. We krwi są one transportowane przez podstawowe białko osocza – albuminę. Wewnątrz komórek natomiast jest to białko wiążace kwasy tłuszczowe lub białko Z. Samodzielnie poruszają się jedynie krótkie kwasy tłuszczowe, które są łatwiej rozpuszczalne w wodzie. Po wniknięciu do komórki kwasy tłuszczowe ulegają w pierwszej kolejności aktywacji, by móc wejść w dalsze reakcje spalania. Aktywacja polega na przyłączeniu do końca karboksylowego cząsteczki znanego nam już koenzymu A. Reakcja ta zachodzi kosztem rozpadu ATP na AMP i pirofosforan, czyli wymaga dwóch wiązań wysokoenergetycznych. Zachodzić może zarówno w cytoplazmie, jak i w mitochondrium. Taką aktywną cząsteczkę nazywamy niezależnie od długości łańcucha węglowego kwasu tłuszczowego – acylo-CoA.

Ani wolny kwas tłuszczowy, ani acylo-CoA nie mogą przenikać samodzielnie do wnętrza mitochondrium. W procesie transportu przez błonę uczestniczy specjalny związek L-karnityna. Piszę o tym, gdyż istnieje sporo doniesień na temat ważnej roli tego związku w procesie spalania nie tylko tłuszczów, ale również glukozy. Istnieją silne przesłanki sugerujące możliwość rozwoju względnego niedoboru tego związku na diecie wegetariańskiej. Niedobór taki utrudnić może transport kwasów tłuszczowych do mitochondriów, sprzyjać rozwojowi cukrzycy oraz kwasicy mleczanowej. L-karnityna syntetyzowana jest w organizmie z dwóch aminokwasów: lizyny i metioniny, a do jej syntezy niezbędne są: witaminy: PP, B₆, C oraz żelazo. Oba te aminokwasy są niezbędne w diecie tzn. organizm nie jest w stanie ich zsyntetyzować z cukru. Dużą zawartością karnityny cechują się przede wszystkim mięsa. W przypadku diety o niskiej zawartości mięsa lub innego białka zwierzęcego ograniczone jest zarówno dostarczanie owych aminokwasów, jak i samej karnityny.

Wróćmy jednak do spalania kwasów tłuszczowych. Zaktywowany kwas tłuszczowy, czyli acylo-CoA jest już w mitochondrium. Tutaj następuje jego ostateczne spalanie. Ogólnie, w procesie spalania wyróżnić można 2 etapy. Pierwszy – to cięcie kwasu tłuszczowego na fragmenty dwuwęglowe, czyli cząsteczki acetylo-CoA. Drugi – to omówione już poprzednio spalanie acetylo-CoA w cyklu Krebsa. Zajmiemy się więc dokładniej jedynie pierwszym etapem.

Cięcie na fragmenty dwuwęglowe polega na kolejnym odłączaniu od końca karboksylowego cząsteczek acetylo-CoA. Jeśli kwas tłuszczowy ma nieparzystą ilość atomów węgla, to specjalne enzymy rozłożą tę nieparzystą końcówkę. Zważywszy jednak, że zdecydowana większość kwasów tłuszczowych ma parzystą ilość atomów węgla, ilościowo jest to proces marginalny. Przeanalizujmy sobie proces odszczepiania jednej cząsteczki acetylo-CoA:

R–CH₂ –CH₂–CO~CoA   =>  R–CH = CH –CO~CoA         przeniesienie dwóch wodorów na FAD

R–CH = CH –CO~CoA   =>   R–CHOH–CH₂–CO~CoA      przyłączenie cząsteczki wody

R–CHOH–CH₂–CO~CoA=>  R–CO –CH₂–CO~CoA       przeniesienie dwóch wodorów na NAD

R–CO–CH₂–CO~CoA  =>   R–CO~CoA  + CH₃–CO~CoA  

odłączenie acetylo-CoA, przyłączenie wolnego CoA do reszty łańcucha węglowego R.

W jednym etapie odłączania acetylo-CoA uzyskujemy więc 1 FADH₂ oraz 1 NADH₂. Ponieważ utlenienie FADH₂ daje 2 cząsteczki ATP, a NADH₂ – 3 ATP, utlenienie tego wodoru daje łącznie 5 cząsteczek ATP.

Przeprowadźmy teraz obliczenia bilansu energetycznego spalania 1 cząsteczki kwasu palmitynowego, podstawowego – 16-węglowego kwasu tłuszczowego. Zostaje wykonanych 7 cięć, w wyniku których powstaje 8 cząsteczek acetylo-CoA. Każde cięcie dostarcza 5 ATP, a każdy acetylo-CoA daje w cyklu Krebsa 12 ATP. Odjąć trzeba jeszcze 2 cząsteczki zużyte na pierwszą reakcję aktywacji kwasu tłuszczowego. Ostateczny bilans więc to 7×5 + 8×12 – 2 = 129 cząsteczek ATP. W przeliczeniu na gramy, ze 100g kwasu palmitynowego można uzyskać 50.4 mole ATP. Jest to wartość ok. 2.5x większa niż dla glukozy.

W przypadku nienasyconych kwasów tłuszczowych istnieją specjalne mechanizmy, które umożliwiają ominięcie podwójnego wiązania w trakcie cięcia na acetylo-CoA. Aby nie wdawać się w nadmierne szczegóły, wystarczy powiedzieć, że każde podwójne wiązanie w cząsteczce kwasu tłuszczowego to 3 cząsteczki ATP mniej w łącznym bilansie. Wiązania podwójne nie obniżają więc znacząco kaloryczności tłuszczów, powodują jednak konieczność produkcji dodatkowych enzymów w mitochondrium zmniejszając nieznacznie wydajność jego pracy jako całości. Dodatkowo, a właściwie to przede wszystkim, wiązania podwójne istniejące w cząsteczce bardzo łatwo reagują z różnymi wolnymi rodnikami powstającymi w komórce, w wyniku czego powstają różne związki toksyczne. Usuwanie tych toksyn wiąże się dla komórki ze znacznym wysiłkiem energetycznym.

Synteza kwasów tłuszczowych

Synteza kwasów tłuszczowych nie jest prostym odwróceniem reakcji spalania, lecz odrębnym procesem biochemicznym o niezależnych mechanizmach regulacji. Spalanie zachodzi w mitochondrium, synteza natomiast ma miejsce w cytoplazmie komórki. W wyniku spalania kwasów tłuszczowych wodór zostaje przeniesiony na NAD i FAD. Do syntezy natomiast, jako dawca wodoru służy NADPH₂. W obu wypadkach jako szkielet węglowy używany jest acetylo-CoA. Prześledźmy sobie teraz nieco dokładniej sposób syntezy kwasu tłuszczowego.

Dwa podstawowe związki używane do syntezy to acetylo-CoA oraz NADPH₂. Źródłem acetylo-CoA mogą być zarówno białka, tłuszcze, jak i węglowodany. W celu wykorzystania do syntezy musi opuścić mitochondrium.  Nie opuszcza on jednak bezpośrednio mitochondrium. Zachodzi najpierw jego połączenie ze szczawiooctanem w cytrynian i dopiero cytrynian opuszcza mitochondrium. W cytoplazmie następuje z powrotem rozłożenie cytrynianu do acetylo-CoA i szczawiooctanu. Reakcja ta jednak tutaj wymaga energii 1 cząsteczki ATP. Szczawiooctan przekształca się w jabłczan i wchodzi z powrotem do mitochondrium.

NADPH₂ natomiast powstaje w cyklu pentozowym spalania glukozy. Jego źródłem, oprócz cukru, może być również większość aminokwasów. Wydłużanie łańcucha następuje fragmentami dwuwęglowymi. Cząsteczka acetylo-CoA jest przyłączana do już istniejącego łańcucha, a następnie tlen z grupy ketonowej jest zamieniany na wodór. Synteza kwasu tłuszczowego jest o tyle ciekawa, że wszystkie reakcje z wyjątkiem oznaczonej poniżej numerem „2” – przyłączania CO₂ – są wykonywane przez jedną wielką cząsteczkę enzymatyczną, która składa się w wielu podjednostek, z których każda wykonuje jedną reakcję. Takie „zlepienie” się wszystkich enzymów jednego szlaku metabolicznego powoduje bardzo znaczną poprawę wydajności całego procesu, gdyż cząsteczki nie muszą się szukać w cytoplazmie. Poszczególne związki pośrednie są przenoszone z jednej podjednostki na następną zupełnie jak na dobrze zorganizowanej taśmie produkcyjnej. Co więcej taśma ta jest zamknięta w kółko, czyli kwas tłuszczowy po wydłużeniu o dwa węgle trafia w ten sam punkt przestrzeni, z którego wystartował [i].

Prześledźmy kolejne reakcje wydłużania cząsteczki kwasu tłuszczowego:

1. Na początku do enzymu przyłącza się pierwsza cząsteczka acetylo-CoA będąca zarodkiem syntetyzowanego kwasu tłuszczowego.

   CH₃–CO~CoA   +   enzym   =>   CH₃–CO~enzym   +   CoA

2. Wszystkie następne cząsteczki acetylo-CoA są najpierw aktywowane przez przyłączenie cząsteczki CO₂. Reakcja nie wymaga energii:

   CH₃–CO~CoA   + CO₂          =>        COOH–CH₂–CO~CoA  (malonylo-CoA)

3. Grupa malonylowa jest również przyłączana do enzymu w sąsiedztwie acetylowej (acylowej):

   CH₃–CO~enzym  +  COOH–CH₂–CO~CoA  =>  CH₃–CO~enzym~CO–CH₂–COOH   +   CoA

4. Grupa acetylowa (acylowa) jest przenoszona na malonylową, odłącza się z powrotem cząsteczka CO₂:

   CH₃–CO~enzym~CO–CH₂–COOH   =>  enzym~CO–CH₂–CO–CH₃  +  CO₂

5. Pierwsze uwodornienie cząsteczki:

   enzym~CO–CH₂–CO–CH₃   +   NADPH₂  =>   enzym~CO–CH₂–CHOH–CH₃

6. Odłączenie cząsteczki wody:

   enzym~CO–CH₂–CHOH–CH₃   =>   enzym ~CO–CH=CH–CH₃    +   H₂O

7. Drugie uwodornienie cząsteczki:

   enzym~CO–CH=CH–CH₃    +   NADPH₂   =>   enzym~CO–CH₂–CH₂–CH₃  (acylo-enzym)

8a. Przeniesienie grupy acylowej „na lewo”. Kontynuacja reakcji od punktu 3.

   enzym~CO– CH₂–CH₂–CH₃   =>   CH₃–CH₂–CH₂–CO~enzym

8b. Jeśli kwas tłuszczowy jest już wystarczająco długi, następuje jego odłączenie od enzymu:

   enzym~CO–C_nH_2n+1   +   H₂O   =>   enzym   +   C_nH_2n+1–COOH

Porównajmy teraz krótko syntezę i rozkład kwasów tłuszczowych z energetycznego punktu widzenia. NADH₂ oraz NADPH₂ są sobie energetycznie prawie równoważne. W mitochondriach istnieje enzym, który przenosi wodór pomiędzy tymi związkami bez żadnego nakładu energii. Oba odpowiadają więc w przybliżeniu energii zawartej w 3 cząsteczkach ATP. Przypomnijmy sobie, że w cyklu pentozowym rozpad cząsteczki glukozy wytwarza 12 NADPH₂, co odpowiada 36-ciu cząsteczkom ATP. Całkowite spalenie glukozy daje natomiast 38 ATP. Jak widać są to wartości prawie jednakowe. W trakcie cięcia kwasu tłuszczowego na acetylo-CoA powstaje NADH₂ oraz FADH₂ co odpowiada 5 cząsteczkom ATP. Do wbudowania acetylo-CoA w trakcie syntezy potrzebne są natomiast 2 cząsteczki NADPH₂, co odpowiada 6 cząsteczkom ATP. Dodatkowo przetransportowanie każdej cząsteczki acetylo-CoA na zewnątrz mitochondrium wymaga 1 cząsteczki ATP. Ponieważ cięć lub wbudowań jest w przypadku palnmitynianu 7, a cząsteczek acetylo-CoA 8, różnica między syntezą a rozkładem cząsteczki kwasu tłuszczowego to tylko 15 cząsteczek ATP. Zważywszy, że ze spalenia uzyskuje się aż 129 ATP, stanowi to tylko ok. 12% jego wartości energetycznej [ii].

Porównajmy teraz jeszcze ile ATP uzyskamy spalając glukozę w szlaku glikolizy i cyklu Krebsa, a ile, jeśli najpierw zsyntetyzujemy z niej palmitynian, a następnie go spalimy.

Do syntezy 1 cząsteczki palmitynianu potrzeba 8 cząsteczek acetylo-CoA i 14 cząsteczek NADPH₂. Aby tę ilość uzyskać, trzeba rozłożyć w szlaku glikolizy 4 cząsteczki glukozy oraz w cyklu pentozowym 7/6 cząsteczki:

a)  4 C₆H₁₂O₆   =>   8 CO₂   +   8 CH₃-CO~CoA   +   56 ATP   (glikoliza)

b)  C₆H₁₂O₆   + 7 H₂0   =>    7 CO₂   +   14 NADPH₂   (cykl pentozowy)

c) 8 CH₃-CO~CoA   + 8 szczawiooctan   =>   8 cytrynian (opuszcza mitochondrium)

d) 8 cytrynian   +   8 ATP   =>   8 szczawiooctan (wraca do mitoch.)   +   8 CH₃-CO~CoA

e)  8 CH₃-CO~CoA   +   14 NADPH₂    =>   C₁₅H₃₁COOH   +   6 H₂O   +  8 CoA

Reasumując powyższe reakcje oraz pomijając wodę i CO₂:

   C₆H₁₂O₆   =>   C₁₅H₃₁COOH   +   48 ATP

Spalenie palmitynianu, jak już wcześniej wyliczyliśmy, daje 129 cząsteczek ATP. Łącznie więc zamiana cząsteczki glukozy na palmitynian, a następnie spalenie go, daje 129+48 =177 cząsteczek ATP. Jeśli natomiast spalimy cząsteczki glukozy bezpośrednio w szlaku glikolizy i cyklu Krebsa, uzyskamy × 38 = cząsteczki ATP. Dodatkowo uwzględnić jeszcze trzeba dwie niwelujące się poprawki: Pierwsza to cząsteczki ATP zużytej na aktywację glukozy do cyklu pentozowego. Druga związana jest z reakcją nr 3 glikolizy (wykład 2). Dla kierunku zachodzącego w glikolizie zużywane jest ATP (4x), natomiast dla kierunku przeciwnego występującego w cyklu pentozowym – nie. Ponieważ w cyklu pentozowym reakcja ta zachodzi tutaj x, dominować będzie kierunek glikolizy. Łącznie jednak nie zajdzie ona 4x, lecz x. Zysk więc to  cząsteczki ATP.

Reasumując: Szlak glukoza => palmitynian => spalanie daje 177 –  +  = 177 ATP, natomiast spalenie bezpośrednie daje ATP. Różnica  cząsteczek ATP jest tak niewielka, że można to potraktować jako majstersztyk ewolucji. Zamiana węglowodanów na tłuszcz pozwala, jak widzimy, zmagazynować 95% zawartej w węglowodanach energii.

Rozpatrywany przypadek to oczywiście pewien szczególny przypadek metaboliczny, gdyż acetylo-CoA może być pozyskany nie z cukru, lecz z aminokwasów lub tłuszczu. Wtedy cały spożywany cukier może się spalać w cyklu pentozowym. Przy udziale  cząsteczki cukru powstanie wtedy 1 cząsteczka palmitynianu. Przeliczając na gramy: 100g węglowodanów może dać wtedy 122g palmitynianu.

Do usłyszenia na kolejnym wykładzie dotyczącym spalania aminokwasów.