La principale condition de la vie de tout organisme est l'apport continu d'énergie, qui est dépensée pour divers processus cellulaires. Dans le même temps, une certaine partie des composés nutritifs ne peut pas être utilisée immédiatement, mais peut être convertie en réserves. Le rôle d'un tel réservoir est assuré par les graisses (lipides), constituées de glycérol et d'acides gras. Ces derniers sont utilisés par la pile comme combustible. Dans ce cas, les acides gras sont oxydés en CO2 et H2O.
Les bases des acides gras
Les acides gras sont des chaînes carbonées de différentes longueurs (de 4 à 36 atomes), qui sont chimiquement classées comme acides carboxyliques. Ces chaînes peuvent être ramifiées ou non ramifiées et contenir différents nombres de doubles liaisons. Si ces derniers sont complètement absents, les acides gras sont dits saturés (typiques de nombreux lipides d'origine animale), et sinon -insaturé. Selon la disposition des doubles liaisons, les acides gras sont divisés en monoinsaturés et polyinsaturés.
La plupart des chaînes contiennent un nombre pair d'atomes de carbone, ce qui est dû à la particularité de leur synthèse. Cependant, il existe des connexions avec un nombre impair de liens. L'oxydation de ces deux types de composés est légèrement différente.
Caractéristiques générales
Le processus d'oxydation des acides gras est complexe et comporte plusieurs étapes. Elle commence par leur pénétration dans la cellule et se termine dans la chaîne respiratoire. Parallèlement, les dernières étapes répètent en fait le catabolisme des glucides (le cycle de Krebs, la transformation de l'énergie du gradient transmembranaire en une liaison macroergique). Les produits finaux du processus sont l'ATP, le CO2 et l'eau.
L'oxydation des acides gras dans une cellule eucaryote s'effectue dans les mitochondries (le site de localisation le plus caractéristique), les peroxysomes ou le réticulum endoplasmique.
Variétés (types) d'oxydation
Il existe trois types d'oxydation des acides gras: α, β et ω. Le plus souvent, ce processus procède par le mécanisme β et est localisé dans les mitochondries. La voie oméga est une alternative mineure au mécanisme β et s'effectue dans le réticulum endoplasmique, tandis que le mécanisme alpha est caractéristique d'un seul type d'acide gras (phytanique).
Biochimie de l'oxydation des acides gras dans les mitochondries
Pour plus de commodité, le processus de catabolisme mitochondrial est classiquement divisé en 3 étapes:
- activation et transport vers les mitochondries;
- oxydation;
- oxydation de l'acétyl-coenzyme A formée par le cycle de Krebs et la chaîne de transport électrique.
L'activation est un processus préparatoire qui transforme les acides gras en une forme disponible pour les transformations biochimiques, puisque ces molécules elles-mêmes sont inertes. De plus, sans activation, ils ne peuvent pas pénétrer les membranes mitochondriales. Cette étape se déroule au niveau de la membrane externe des mitochondries.
En fait, l'oxydation est une étape clé du processus. Il comprend quatre étapes, après quoi l'acide gras est converti en molécules d'acétyl-CoA. Le même produit est formé lors de l'utilisation des glucides, de sorte que les étapes suivantes sont similaires aux dernières étapes de la glycolyse aérobie. La formation d'ATP se produit dans la chaîne de transport d'électrons, où l'énergie du potentiel électrochimique est utilisée pour former une liaison macroergique.
Dans le processus d'oxydation des acides gras, en plus de l'acétyl-CoA, des molécules NADH et FADH sont également formées2, qui entrent également dans la chaîne respiratoire en tant que donneurs d'électrons. En conséquence, la production totale d'énergie du catabolisme lipidique est assez élevée. Ainsi, par exemple, l'oxydation de l'acide palmitique par le mécanisme β donne 106 molécules d'ATP.
Activation et transfert vers la matrice mitochondriale
Les acides gras eux-mêmes sont inertes et ne peuvent pas être oxydés. L'activation les amène sous une forme disponible pour les transformations biochimiques. De plus, ces molécules ne peuvent pas pénétrer dans les mitochondries sans être modifiées.
L'essence de l'activation estla conversion d'un acide gras en son Acyl-CoA-thioester, qui subit ensuite une oxydation. Ce processus est réalisé par des enzymes spéciales - les thiokinases (Acyl-CoA synthétases) attachées à la membrane externe des mitochondries. La réaction se déroule en 2 étapes, associées à la dépense d'énergie de deux ATP.
Trois composants sont requis pour l'activation:
- ATF;
- HS-CoA;
- Mg2+.
Premièrement, l'acide gras réagit avec l'ATP pour former l'acyladénylate (un intermédiaire). Celui-ci, à son tour, réagit avec HS-CoA, dont le groupe thiol déplace l'AMP, formant une liaison thioéther avec le groupe carboxyle. En conséquence, la substance acyl-CoA est formée - un dérivé d'acide gras, qui est transporté vers les mitochondries.
Transport vers les mitochondries
Cette étape est appelée transestérification avec de la carnitine. Le transfert d'acyl-CoA vers la matrice mitochondriale s'effectue à travers les pores avec la participation de carnitine et d'enzymes spéciales - les carnitine acyltransférases.
Pour le transport à travers les membranes, la CoA est remplacée par la carnitine pour former l'acyl-carnitine. Cette substance est transportée dans la matrice par diffusion facilitée par le transporteur acyl-carnitine/carnitine.
À l'intérieur des mitochondries, une réaction inverse a lieu, consistant en le décollement de la rétine, qui pénètre à nouveau dans les membranes, et la restauration de l'acyl-CoA (dans ce cas, la coenzyme A "locale" est utilisée, et pas celui avec qui le lien s'est forméau stade de l'activation).
Réactions principales d'oxydation des acides gras par le mécanisme β
Le type le plus simple d'utilisation de l'énergie des acides gras est la β-oxydation des chaînes qui n'ont pas de doubles liaisons, dans lesquelles le nombre d'unités de carbone est pair. Le substrat de ce processus, comme indiqué ci-dessus, est l'acyl coenzyme A.
Le processus de β-oxydation des acides gras consiste en 4 réactions:
- La déshydrogénation est la séparation de l'hydrogène d'un atome de carbone β avec la formation d'une double liaison entre les maillons de chaîne situés en positions α et β (premier et deuxième atomes). En conséquence, l'énoyl-CoA est formé. L'enzyme de réaction est l'acyl-CoA déshydrogénase, qui agit en combinaison avec la coenzyme FAD (cette dernière est réduite en FADH2).
- L'hydratation est l'addition d'une molécule d'eau à l'énoyl-CoA, entraînant la formation de L-β-hydroxyacyl-CoA. Effectué par l'enoyl-CoA-hydratase.
- Déshydrogénation - oxydation du produit de la réaction précédente par la déshydrogénase dépendante du NAD avec formation de β-cétoacyl-coenzyme A. Dans ce cas, le NAD est réduit en NADH.
- Clivage du β-cétoacyl-CoA en acétyl-CoA et un acyl-CoA raccourci à 2 carbones. La réaction s'effectue sous l'action de la thiolase. Une condition préalable est la présence de HS-CoA libre.
Puis tout recommence avec la première réaction.
La répétition cyclique de toutes les étapes est effectuée jusqu'à ce que toute la chaîne carbonée de l'acide gras soit convertie en molécules d'acétyl-coenzyme A.
Formation d'acétyl-CoA et d'ATP sur l'exemple de l'oxydation du palmitoyl-CoA
À la fin de chaque cycle, les molécules acyl-CoA, NADH et FADH2 se forment en une seule quantité, et la chaîne acyl-CoA-thioéther se raccourcit de deux atomes. En transférant des électrons à la chaîne d'électrotransport, FADH2 donne une molécule et demie d'ATP et NADH deux. En conséquence, 4 molécules d'ATP sont obtenues à partir d'un cycle, sans compter le rendement énergétique de l'acétyl-CoA.
La chaîne d'acide palmitique compte 16 atomes de carbone. Cela signifie qu'au stade de l'oxydation, 7 cycles doivent être effectués avec la formation de huit acétyl-CoA, et le rendement énergétique du NADH et du FADH2 dans ce cas sera de 28 molécules d'ATP (4×7). L'oxydation de l'acétyl-CoA va également à la formation d'énergie, qui est stockée à la suite de l'entrée des produits du cycle de Krebs dans la chaîne de transport électrique.
Rendement total des étapes d'oxydation et du cycle de Krebs
À la suite de l'oxydation de l'acétyl-CoA, 10 molécules d'ATP sont obtenues. Étant donné que le catabolisme du palmitoyl-CoA donne 8 acétyl-CoA, le rendement énergétique sera de 80 ATP (10 × 8). Si vous ajoutez cela au résultat de l'oxydation du NADH et du FADH2, vous obtenez 108 molécules (80+28). De cette quantité, il faut soustraire 2 ATP, qui sont allés activer l'acide gras.
L'équation finale pour l'oxydation de l'acide palmitique sera: palmitoyl-CoA + 16 O2 + 108 Pi + 80 ADP=CoA + 108 ATP + 16 CO2 + 16 H2O.
Calcul de la libération d'énergie
Échappement d'énergiesur le catabolisme d'un acide gras particulier dépend du nombre d'unités de carbone dans sa chaîne. Le nombre de molécules d'ATP est calculé par la formule:
[4(n/2 - 1) + n/2×10] - 2, où 4 est la quantité d'ATP générée au cours de chaque cycle en raison du NADH et du FADH2, (n/2 - 1) est le nombre de cycles, n/2×10 est le rendement énergétique de l'oxydation de l'acétyl- CoA, et 2 est le coût d'activation.
Caractéristiques des réactions
L'oxydation des acides gras insaturés présente certaines particularités. Ainsi, la difficulté d'oxyder des chaînes à doubles liaisons réside dans le fait que ces dernières ne peuvent être exposées à l'énoyl-CoA-hydratase du fait qu'elles sont en position cis. Ce problème est éliminé par l'énoyl-CoA isomérase, grâce à laquelle la liaison acquiert une configuration trans. En conséquence, la molécule devient complètement identique au produit de la première étape de bêta-oxydation et peut subir une hydratation. Les sites ne contenant que des liaisons simples s'oxydent de la même manière que les acides saturés.
Parfois, l'énoyl-CoA-isomérase ne suffit pas pour poursuivre le processus. Ceci s'applique aux chaînes dans lesquelles la configuration cis9-cis12 est présente (doubles liaisons aux 9ème et 12ème atomes de carbone). Ici, non seulement la configuration est un obstacle, mais aussi la position des doubles liaisons dans la chaîne. Ce dernier est corrigé par l'enzyme 2,4-diénoyl-CoA réductase.
Catabolisme des acides gras impairs
Ce type d'acide est typique de la plupart des lipides d'origine naturelle (naturelle). Cela crée une certaine complexité, puisque chaque cycleimplique un raccourcissement par un nombre pair de liens. Pour cette raison, l'oxydation cyclique des acides gras supérieurs de ce groupe se poursuit jusqu'à l'apparition d'un composé à 5 carbones en tant que produit, qui est clivé en acétyl-CoA et propionyl-coenzyme A. Les deux composés entrent dans un autre cycle de trois réactions., à la suite de quoi le succinyl-CoA est formé. C'est lui qui entre dans le cycle de Krebs.
Caractéristiques de l'oxydation dans les peroxysomes
Dans les peroxysomes, l'oxydation des acides gras se produit via un mécanisme bêta similaire, mais pas identique, à celui des mitochondries. Il se compose également de 4 étapes, aboutissant à la formation du produit sous forme d'acétyl-CoA, mais il présente plusieurs différences essentielles. Ainsi, l'hydrogène issu de l'étape de déshydrogénation ne restitue pas le FAD, mais passe en oxygène avec formation de peroxyde d'hydrogène. Ce dernier subit immédiatement un clivage sous l'action de la catalase. En conséquence, l'énergie qui aurait pu être utilisée pour synthétiser l'ATP dans la chaîne respiratoire est dissipée sous forme de chaleur.
La deuxième différence importante est que certaines enzymes peroxysomes sont spécifiques à certains acides gras moins abondants et ne sont pas présentes dans la matrice mitochondriale.
La caractéristique des peroxysomes des cellules hépatiques est qu'il n'y a pas d'appareil enzymatique du cycle de Krebs. Par conséquent, à la suite de la bêta-oxydation, des produits à chaîne courte sont formés, qui sont transportés vers les mitochondries pour y être oxydés.
