From Wikipedia, the free encyclopedia
Beta oxy hóa hay oxy hóa acid béo là quá trình phân giải acid béo trong ti thể của sinh vật nhân thực hoặc trong bào tương của sinh vật nhân sơ để hình thành acetyl-CoA. Acetyl-CoA chính là "nguyên liệu đầu vào" của chu trình Krebs nhằm tạo ra "đồng xu năng lượng" ATP. Ngoài ra, beta oxy hóa còn tạo ra NADH và FADH2 để tham gia vào chuỗi chuyền điện tử.
Nó được đặt tên như vậy là vì sự oxy hóa diễn ra trên carbon beta của acid béo.
Quá trình này được thực hiện bởi ti thể và peroxisome, trong đó ti thể là bào quan chủ yếu, còn peroxisome chỉ chịu trách nhiệm cho những acid béo chuỗi rất dài.
Phương trình chung của beta oxy hóa:
Acid béo tích điện âm nên không thể khuếch tán đơn giản qua màng phospholipid kép của ti thể. Vì vậy, nó cần sự hỗ trợ của một số enzyme thuộc họ SLC27 (họ protein vận chuyển acid béo) và ACSL (họ protein tổng hợp acyl-CoA).[1] Hai quá trình để nó thâm nhập vào ti thể là "hoạt hóa" và "vận chuyển".
Enzyme nối acid béo chuỗi dài—CoA (thuộc họ ACSL) xúc tác phản ứng giữa acid béo chuỗi dài với ATP để tạo tạo thành acid béo adenylate và pyrophosphate vô cơ, sau đó phản ứng với CoA để tạo thành acyl-CoA và AMP. Vì sản phẩm tạo thành là acyl-CoA, enzyme này đôi khi còn được gọi là acyl-CoA synthase.[2]
Acyl-CoA có chuỗi dài (C12 - C22) được vận chuyển bằng thoi carnitine.
Acyl-CoA có chuỗi ngắn khuếch tán trực tiếp qua màng ti thể.
Step-1 | Step-2 | Step-3 | Step-4 |
Sau khi acid béo được hoạt hóa vận chuyển vào chất nền ti thế, sự beta oxy hóa mới chính thức diễn ra. Acid béo (dưới dạng acyl-CoA) sẽ được cắt thành các acetyl-CoA cho đến hết mạch, mỗi lần cắt 2 carbon. Quá trình đó gồm bốn bước, mỗi bước tương ứng với một enzyme.[3]
Sản phẩm sau mỗi bốn bước này là một acetyl-CoA (nguyên liệu của chu trình Krebs), một NADH và FADH2 (nguyên liệu của chuỗi chuyền electron) và một acyl-CoA mới, ngắn hơn 2 carbon so với acyl-CoA ban đầu. Acyl-CoA mới tiếp tục tham gia beta oxy hóa cho đến hết chuỗi.
Nếu acyl-CoA ban đầu có số chẵn carbon (ví dụ như , nó sẽ phân hủy hết thành acetyl-CoA. Nếu acyl-CoA có số lẻ carbon, nó sẽ phân hủy đến khi còn 3 carbon.
Fatty acids are oxidized by most of the tissues in the body. However, some tissues such as the red blood cells of mammals (which do not contain mitochondria) and cells of the central nervous system do not use fatty acids for their energy requirements, but instead use carbohydrates (red blood cells and neurons) or ketone bodies (neurons only).
Because many fatty acids are not fully saturated or do not have an even number of carbons, several different mechanisms have evolved, described below.
Once inside the mitochondria, each cycle of β-oxidation, liberating a two carbon unit (acetyl-CoA), occurs in a sequence of four reactions[4]:
Description | Diagram | Enzyme | End product |
Dehydrogenation by FAD: The first step is the oxidation of the fatty acid by Acyl-CoA-Dehydrogenase. The enzyme catalyzes the formation of a trans-double bond between the C-2 and C-3 by selectively remove hydrogen atoms from the β-carbon. The regioselectivity of this step is essential for the subsequent hydration and oxidation reactions. | acyl CoA dehydrogenase | trans-Δ2-enoyl-CoA | |
Hydration: The next step is the hydration of the bond between C-2 and C-3. The reaction is stereospecific, forming only the L isomer. Hydroxyl group is positioned suitable for the subsequent oxidation reaction by 3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase to create a β-keto group. | enoyl CoA hydratase | L-β-hydroxyacyl CoA | |
Oxidation by NAD+: The third step is the oxidation of L-β-hydroxyacyl CoA by NAD+. This converts the hydroxyl group into a keto group. | 3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase | β-ketoacyl CoA | |
Thiolysis: The final step is the cleavage of β-ketoacyl CoA by the thiol group of another molecule of Coenzyme A. The thiol is inserted between C-2 and C-3. | β-ketothiolase | An acetyl-CoA molecule, and an acyl-CoA molecule that is two carbons shorter |
This process continues until the entire chain is cleaved into acetyl CoA units. The final cycle produces two separate acetyl CoAs, instead of one acyl CoA and one acetyl CoA. For every cycle, the Acyl CoA unit is shortened by two carbon atoms. Concomitantly, one molecule of FADH2, NADH and acetyl CoA are formed.
Acid béo có số carbon lẻ (acid béo mạch lẻ) xuất hiện trong một số thực vật, hải sản và chế phẩm của động vật nhai lại (như sữa dê và mỡ bò).[5][6] Nó cũng bị beta oxy hóa y chang như acid béo mạch chẵn.
Sản phẩm cuối cùng của mỗi acid béo mạch lẻ là nhiều acetyl-CoA (2 carbon) và một propionyl-CoA (3 carbon). Propionyl-CoA tiếp tục bị oxy hóa để hình thành succinyl-CoA. Succinyl-CoA là một thành viên của chu trình Krebs.
Quá trình từ propionyl-CoA thành succinyl-CoA gồm các bước:
Loại phản ứng | Chất phản ứng | Chất sản phẩm | Enzyme | Mô tả |
---|---|---|---|---|
Carboxyl hóa | propionyl-CoA | D-methylmalonyl CoA | propionyl-CoA carboxylase (coenzyme: biotin) | đặt một ion bicacbonat vào trong đồng phân lập thể dạng D của methylmalonyl-CoA, phản ứng này sẽ bao hàm sự tham gia của cofactor biotin, CO2 và ATP. Ion bicacbonat sẽ được cộng thêm vào cacbon giữa của propionyl-CoA, hình thành nên D-methylmalonyl-CoA. Sản phẩm là một chất 4C. |
D-methylmalonyl CoA | L-methylmalonyl CoA | methylmalonyl-CoA epimerase | ||
Đồng phân hóa | methylmalonyl CoA | succinyl-CoA | methylmalonyl-CoA mutase (coenzyme: vitamin B12) | thay đổi cấu trúc của L-methylmalonyl-CoA (yêu cầu sự tham gia của B12 với tư cách là coenzyme) để hình thành succinyl-CoA, một thành viên của chu trình Krebs. |
Tuy nhiên, trong khi acetyl-CoA phải ngưng tụ với oxaloacetate mới có thể tham gia chu trình Krebs, succinyl-CoA có thể cứ thế mà xấn vào chu trình vì bản thân nó đã là một sản phẩm chuyển hóa của chu trình Krebs. Vì vậy, succinyl-CoA có thể bị dư thừa và "chuyển công tác" sang con đường tân tạo đường.[7]
Vấn đề của acid béo không bão hòa là liên kết đôi cis của nó có thể ngăn cản sự hình thành liên kết trans-Δ2. Hai enzyme đi giải quyết vấn đề này là enoyl-CoA isomerase và 2,4 dienoyl CoA reductase.[8]
Acid béo không bão hòa tham gia beta oxy hóa cho đến khi mắc kẹt ở một liên kết đôi cis. Lúc đó hai enzyme kia ra tay:
β-oxidation occurs normally until the acyl CoA (because of the presence of a double bond) is not an appropriate substrate for acyl CoA dehydrogenase, or enoyl CoA hydratase:
Fatty acid oxidation also occurs in peroxisomes when the fatty acid chains are too long to be processed by the mitochondria. The same enzymes are used in peroxisomes as in the mitochondrial matrix and acetyl-CoA is generated. Very long chain (greater than C-22) fatty acids, branched fatty acids,[9] some prostaglandins and leukotrienes[10] undergo initial oxidation in peroxisomes until octanoyl-CoA is formed, at which point it undergoes mitochondrial oxidation.[11]
One significant difference is that oxidation in peroxisomes is not coupled to ATP synthesis. Instead, the high-potential electrons are transferred to O2, which yields hydrogen peroxide. The enzyme catalase, found primarily in peroxisomes and the cytosol of erythrocytes (and sometimes in mitochondria[12]), converts the hydrogen peroxide into water and oxygen.
Peroxisomal β-oxidation also requires enzymes specific to the peroxisome and to very long fatty acids. There are four key differences between the enzymes used for mitochondrial and peroxisomal β-oxidation:
Peroxisomal oxidation is induced by a high-fat diet and administration of hypolipidemic drugs like clofibrate.
Even-numbered saturated fatty acids
Theoretically, the ATP yield for each oxidation cycle where two carbons are broken down at a time is 17, as each NADH produces 3 ATP, FADH2 produces 2 ATP and a full rotation of Acetyl-CoA in citric acid cycle produces 12 ATP.[13] In practice, it is closer to 14 ATP for a full oxidation cycle as 2.5 ATP per NADH molecule is produced, 1.5 ATP per each FADH2 molecule is produced and Acetyl-CoA produces 10 ATP per rotation of the citric acid cycle [13](according to the P/O ratio). This breakdown is as follows:
Source | ATP | Total |
1 FADH2 | x 1.5 ATP | = 1.5 ATP (Theoretically 2 ATP)[13] |
1 NADH | x 2.5 ATP | = 2.5 ATP (Theoretically 3 ATP)[13] |
1 Acetyl CoA | x 10 ATP | = 10 ATP (Theoretically 12 ATP) |
1 Succinyl CoA | x 4 ATP | = 4 ATP |
Total | = 14 ATP |
For an even-numbered saturated fat (Cn), 0.5 * n - 1 oxidations are necessary, and the final process yields an additional acetyl CoA. In addition, two equivalents of ATP are lost during the activation of the fatty acid. Therefore, the total ATP yield can be stated as:
or
For instance, the ATP yield of palmitate (C16, n = 16) is:
Represented in table form:
Source | ATP | Total |
7 FADH2 | x 1.5 ATP | = 10.5 ATP |
7 NADH | x 2.5 ATP | = 17.5 ATP |
8 Acetyl CoA | x 10 ATP | = 80 ATP |
Activation | = -2 ATP | |
Total | = 106 ATP |
Odd-numbered saturated fatty acid
For an odd-numbered saturated fat (Cn), 0.5 * n - 1.5 oxidations are necessary, and the final process yields 8 acetyl CoA and 1 propionyl CoA. It is then converted to a succinyl CoA by a carboxylation reaction and generates additional 5 ATP (1 ATP is consumed in carboxylation process generating a net of 4 ATP). In addition, two equivalents of ATP are lost during the activation of the fatty acid. Therefore, the total ATP yield can be stated as:
or
For instance, the ATP yield of Nonadecylic acid (C19, n = 19) is:
Represented in table form:
Source | ATP | Total |
8 FADH2 | x 1.5 ATP | = 12 ATP |
8 NADH | x 2.5 ATP | = 20 ATP |
8 Acetyl CoA | x 10 ATP | = 80 ATP |
1 Succinyl CoA | x 4 ATP | = 4 ATP |
Activation | = -2 ATP | |
Total | = 114 ATP |
There are at least 25 enzymes and specific transport proteins in the β-oxidation pathway.[16] Of these, 18 have been associated with human disease as inborn errors of metabolism.
Furthermore, studies indicate that lipid disorders are involved in diverse aspects of tumorigenesis, and fatty acid metabolism makes malignant cells more resistant to a hypoxic environment. Accordingly, cancer cells can display irregular lipid metabolism with regard to both fatty acid synthesis and mitochondrial fatty acid oxidation (FAO) that are involved in diverse aspects of tumorigenesis and cell growth.[17]
Some β-oxidation disorders are-
1. Medium-chain acyl-coenzyme A dehydrogenase (MCAD) Deficiency[18]
It is the most common fatty acid β-oxidation disorder and a prevalent metabolic congenital error It is often identified through newborn screening. Although children are normal at birth, symptoms usually emerge between three months and two years of age, with some cases appearing in adulthood.
Medium-chain acyl-CoA dehydrogenase (MCAD) plays a crucial role in mitochondrial fatty acid β-oxidation, a process vital for generating energy during extended fasting or high-energy demand periods. This process, especially important when liver glycogen is depleted, supports hepatic ketogenesis. The specific step catalyzed by MCAD involves the dehydrogenation of acyl-CoA. This step converts medium-chain acyl-CoA to trans-2-enoyl-CoA, which is then further metabolized to produce energy in the form of ATP.
Symptoms
Treatments
2. Long-Chain Hydroxyacyl-CoA Dehydrogenase (LCHAD) Deficiency [19]
LCHAD performs the dehydrogenation of hydroxyacyl-CoA derivatives, facilitating the removal of hydrogen and the formation of a keto group. This reaction is essential for the subsequent steps in beta oxidation that lead to the production of acetyl-CoA, NADH, and FADH2, which are important for generating ATP, the energy currency of the cell.
Long-chain hydroxyacyl-CoA dehydrogenase (LCHAD) deficiency is a condition that affects mitochondrial function due to enzyme impairments. LCHAD deficiency is specifically caused by a shortfall in the enzyme long-chain 3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase. This leads to the body's inability to transform specific fats into energy, especially during fasting periods.
Symptoms
Treatments
3. Very Long-Chain Acyl-Coenzyme A Dehydrogenase (VLCAD) Deficiency
In the β-oxidation cycle, VLCAD's role involves the removal of two hydrogen atoms from the acyl-CoA molecule, forming a double bond and converting it into trans-2-enoyl-CoA. This step is essential for the fatty acid to undergo further processing and energy production.
Very Long-Chain Acyl-Coenzyme A Dehydrogenase Deficiency is a genetic disorder that affects the body's ability to break down certain fats. It is caused by a deficiency in the enzyme very long-chain acyl-coenzyme A dehydrogenase. This enzyme is crucial for the first step of mitochondrial beta-oxidation. Without this enzyme, the body struggles to effectively break down long-chain fatty acids. This can lead to a buildup of these fats and a shortage of energy, particularly during periods of fasting or increased physical activity.[20]
Symptoms
Treatments
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.