felépítési és lebontási folyamatok a prokariótákban
NAD(P)H + H + /FADH 2
7.2.2. A zsírok és fehérjék lebontása
7.2.2.1. A zsírok lebontása
A lipidek – ezek a kémiai szerkezetüket tekintve igen változatos vegyületek - a természetben széles körben elterjedtek. A prokarióta sejtekben fontos sejtalkotók. Legyenek akár neutrális lipidek, vagy például összetett lipidek (mint a foszfolipidek, glikolipidek, szulfolipidek), amelyek nagy része pl. a membrán felépítésében alapvető fontosságú. De szénhidrátokhoz vagy fehérjékhez kapcsolódva (lipoproteinek) is fontos sejtalkotók. Mások, a raktározható és mobilizálható lipidek főként az energetikai anyagcserében töltenek be jelentős szerepet. Sok mikroba raktároz tartalék tápanyagként lipideket. APseudomonas solanacearum,vagy aBacillus megateriumpéldául poli-β-hidroxi-vajsavat. De vannak, amelyek a környezetükben található lipideket hasznosítják, hiszen a lipázok nagy része extracelluláris enzim. Ezek az anyagok biológiailag jól lebonthatók, és kiváló szubsztrátjai a mikrobák katabolikus anyagcseréjének.
A baktériumok közül példaként a Mycobacterium,Pseudomonas és az Actinomycesnemzetség tagjait, míg a gombáknál aPenicillium cyclopium,Geotrichum candidum,Aspergillus nigerés aRhisopussp. fajokat említhetnénk a zsírbontó szervezetek közül.
A lipidek hidrolízise
A neutrális lipidekdöntő többségét a zsírsavak glicerinnel alkotott észterei képezik. A zsírsavak a glicerinhez – ehhez a háromértékű alkoholhoz – észter-, ritkábban éter-, vagy savamidkötéssel kapcsolódhatnak.
Ezeknek a kötéseknek a hidrolízisét a mikrobákban széles körben megtalálható, nagy aktivitású lipolitikus enzimek, a lipázok végzik. A lipideket tehát első körben a lipázok bontják és mobilizálják.
A lipázok olyan enzimek, amelyek lipideket és nagyon különböző lánchosszúságú acilésztereket hidrolizálnak (acil-hidrolázok, acil-transzferázok). A valódi lipázok szubsztrátjai(a neutrális zsírok és olajok)a triacil-gliceridek, melyek az enzim hatására glicerinre és zsírsavakra bomlanak. Ebben a lipáz katalizálta folyamatban a triacil-glicerid előbb egy molekula víz belépésével 1,2 diacil-glicerid, majd egy újabb víz molekula addiciójával monoacil-glicerid, és végezetül glicerinné lesz.
A lipáz aktivitás eredményeként létrejött szabad zsírsavakat és glicerint a kemoorganotróf mikroorganizmusok mind anaerob, mind aerob úton tovább bonthatják.
A foszfolipideketspeciális enzimek, a foszfolipázok bontják. Ezeket a foszfolipázokat különböző betűjelzéssel látják el aszerint, hogy melyik észterkötést hasítják. A foszfolipáz A és B - a korábban leírt lipázokhoz hasonlóan - a zsírsavak észterkötéseit hasítja. Közülük a foszfolipáz A a 2. szénatomon elhelyezkedő, a foszfolipáz B pedig az 1. szénatomon levő acilláncot hidrolizálja. A foszfolipáz C és D a foszfátészter kötéseket hasítja, s így típusában különbözik az előző két enzimtől. A foszfolipáz C a glicerinfoszfát, míg a foszfolipáz D a poláris fejcsoport és a foszforsav közti kötést hasítja. Végezetül tehát foszfolipáz aktivitás eredményeként is szabad zsírsavakat és glicerint kapunk.
A lipidek hidrolízise során képződő glicerin aztán - a glicerin kináz katalizálta folyamatban - glicerin-3-foszfáttá alakulhat, ami a glicerin-foszfát-dehidrogenáz hatására dihidroxiaceton-foszfáttá illetve glicerinaldehid-3-foszfáttá oxidálódik, miközben egy molekula NAD+redukálódik.
Az oxidációt követően a glicerinaldehid-3-foszfát beléphet az Embden-Meyerhof-Parnas-útba. Itt aztán - a sejt igényei szerint - a glükoneogenezis lépésein keresztül fruktóz-1,6-diszfoszfáttá,majd glükózzá alakulhat, vagy a glikolízisen át piroszőlősavvá lesz, és pl. a Szent-Györgyi-Krebs ciklusban eloxidálódhat.
A szabaddá váló zsírsavak egyrészt a szénhidrátok felépítéséhez nyújthatnak szénvázakat, másrészt energiaforrásként szolgálva, a zsírsavak β-oxidációs folyamatain keresztül bomlanak le.
A lipidlebontás oxidatív folyamatai
A zsírsavak jelentős része a β-oxidáció lépésein keresztül bomlik le (7.2/22. ábra). A folyamatot a zsírsav aktiválása vezeti be. Az aktiváláshoz szükséges energiát egy ATP, a katalízisét pedig az acetil-koenzimA szintetáz biztosítja.
Ennek során a zsírsav előbb egy zsírsav adenilát köztes terméket képez, ami aztán tioészter kötéssel egy koenzimA-hoz kötődik, miközben az ATP-ből AMP és pirofoszfát képződik.
Oxidatív lebontásuk előtt tehát a zsírsavak egy koenzimA-hoz kapcsolódnak. Az acil-koenzimA első oxidációs – acil-CoA dehidrogenáz enzim és a FAD koenzim katalizálta - lépése során egy FAD redukálódik, miközben egy transz kettőskötést tartalmazó transz-Δ2-enonil-koenzimA keletkezik.
Ebből azután egy molekula víz addiciójával, és így a telítetlen kötés hidratálásával L-3-hidroxiacil-koenzimA keletkezik. Ezt az enonil-koenzimA hidratáz enzim katalizálja.
Ezután megint egy oxidációs lépés következik, amiben a NAD+ redukálódik, miközben az előbbi hidroxi származék a 3-ketoacil-koenzimA-ban keto származékká oxidálódik.
A reakciósorba aztán belép egy újabb koenzimA, míg a 3-ketoacil-koenzimA egy tioklasztikus bomláson megy keresztül, aminek során acetil-koenzimA-vá, és egy két szénatommal megrövidült zsírsav-acil-koenzimA-vá hasad.
7.2/22. ábra. A zsírsavak β-oxidációs folyamata
A zsírsavak β-oxidációs folyamata során a fenti reakciók – mint az oxidáció, hidratálás, újabb oxidáció, és tiolízis – ismétlődnek, miközben egy-egy ilyen ciklus alatt a zsírsav lánc 2 - 2 szénatommal megrövidül. Ezek a C2 fragmentumok pedig acetil-koenzimA formában kapcsolódnak be a sejt anyagcseréjébe. A végtermék is egy két szénatom számú acetil-koenzimA lesz, ami a szénlánc rövidülése során leszakadó C2egységekhez hasonlóan, a glioxalát-ciklusba vagy a Szent-Györgyi-Krebs-ciklusba juthat.
A telítetlen zsírsavak β-oxidációja alapjában véve megegyezik a telített zsírok fent leírt folyamataival, de a lebontási folyamat során a kettős kötéshez érve, az eonil-koenzimA izomeráz a ciszΔ3formációjú kettős kötést transz Δ2konformációba rendezi és helyezi át. Ezt követően a zsírsav oxidáció ismét a már fent leírt módon folyik tovább, és képez acetil-koenzimA-t. (7.2/23. ábra)
7.2/23. ábra. A telítetlen zsírsavak zsírsavak β-oxidációs folyamata
A páratlan szénatom számú zsírsavakβ-oxidációja során három szénatomos propionil-koenzimA képződik. És ez aztán egy ATP dependens úton alakul át szukcinil-koenzimA-vá. Az átalakulás első lépésében a propionil-koenzimA-hoz egy karboxil kapcsolódik, és ezáltal egy négy szénatomos D-metilmalonil-koenzimA képződik.
Ezt az ATP igényes reakciót a propionil-koenzimA karboxiláz enzim és a biotin koenzim katalizálja. A D-metilmalonil-koenzimA azután egy epimerizációs folyamatban L-D-metilmalonil-koenzimA –vá alakul, amit a metilmalonil-koenzimA mutáz egy B12-függő csoport transzfer során koenzimA-vá alakít. A szukcinil-koenzimA azután belép a Szent-Györgyi-Krebs-ciklusba, és itt tovább oxidálódik.
A β-oxidáció energetikai vonatkozásai
A lipid bontás és ezen belül is a zsírsavak β-oxidációja alapvető szerepet játszik az energiafelszabadítás és a jól metabolizálható intermedierek, mint az acetil-koenzimA (páratlan szénatom számú zsírsavak esetén pedig a szukcinil-koenzimA) előállításában.
A zsírsav oxidáció első lépése, egy ATP terhére történő aktiválás. És itt ki kell emelnünk, hogy a zsírsavlánc hosszától függetlenül, mindössze egyetlen ATP befektetése elegendő az egész lánc lebontásához. A bontás során pedig a lánc hosszának függvényében számos C2fragmentumhoz jutunk, melyek – abban az esetben, ha O2a végső elektron akceptor - a citrát-körben tovább oxidálódva 1 acetil-koenzimA-ra számolva 12 ATP szintézisét jelentik.
De lépjünk még vissza a zsírsavlánc β-oxidációs folyamatához, amikor is a zsírsavspirális minden egyes - oxidáció, hidratálás, újabb oxidáció, és tiolízis lépéseket magába foglaló - ciklusa során egy-egy FADH2és NADH++ H+ keletkezik. Ezek a koenzimek ugyanis újabb ATP molekulák szintézisének az alapját képezik.
A zsírsavak β-oxidációs folyamatát, példaként a páros szénatom számú, 16 szénatomos palmitinsavat kiválasztva, a7.2/3. táblázatszerint összesíthetjük.
palmitinsav + ATP + koA → palmitil-koA + AMP + PPi
palmitil-koA + 7FAD + 7NAD++ 7koA + 7H2O→ 8acetil-koA + 7FADH2+ 7NADH +H+ 7.2/4. táblázat. A 16 szénatom számú palmitinsav teljes oxidációja során képződött koenzimek és
nagyenergiájú foszfátkötések (ATP) mennyiségének összesítése
Képződött ATP száma
Egyetlen 16 szénatom számú zsírsavlánc oxidációja során tehát 130 ATP képződik. A triglicerid (triacil-glicerid, vagy diacilglicerid) teljes oxidációjából nyerhető energia mennyiség pedig ennél még jóval magasabb. Energetikai szempontból tehát a zsírsavbontás nagyon gazdaságos folyamat.