β-oksydacja

Z artykułu dowiesz się, czym jest β-oksydacja i jaki ma związek z dietą ketogenną.

Dieta ketogenna to dieta, w której rygorystycznym ograniczeniom podlegają węglowodany, czyli takie produkty jak: zboża, słodycze, owoce, ziemniaki itp. W zamian za to należy spożywać wysokie ilości tłuszczów- około 85% energii dostarczanej organizmowi powinno pochodzić właśnie z kwasów tłuszczowych (nie w każdym przypadku). Taki model żywienia nie jest obojętny dla organizmu i doprowadza do charakterystycznego stanu metabolicznego jakim jest ketoza. Do zrozumienia stanu ketozy niezbędne jest zrozumienie podstawowego procesu zachodzącego w organizmie jakim jest utlenianie kwasów tłuszczowych.

β-oksydacja

Utlenianie kwasów tłuszczowych zachodzi w mitochondriach. Kwasy tłuszczowe zanim ulegną przemianom metabolicznym muszą zostać przekształcone w aktywny produkt pośredni, czyli zostać aktywowane. Jest to proces, który wymaga energii ATP (adenozyno-5′-trifosforan) i w wyniku którego dochodzi do utworzenia acylo-CoA- ,,aktywnego kwasu tłuszczowego’’. Cząsteczki acylo-CoA, zawierające łańcuchy zbudowane z maksymalnie 10 atomów węgla, są transportowane przez błonę mitochondrialną, a długołańcuchowe kwasy tłuszczowe przenikają wewnętrzną błonę mitochondrialną jako pochodne karnityny. Acylo-CoA są przekształcane w acylokarnitynę za pomocą enzymu palmitoilotransferazy karnitynowej I, co umożliwia kwasom tłuszczowym dostęp do enzymatycznego układu β-oksydacji.

β-oksydacja zachodzi w mitochondriach hepatocytów i polega na odczepieniu reszt dwuwęglowych od cząsteczki acylo-CoA, zaczynając od końca karboksylowego. Jednostki, które powstają to cząsteczki acetylo-CoA. β-oksydacja obejmuje następujące reakcje:

1. oderwanie dwóch atomów wodoru od atomów węgla 2 (α) i 3 (β) za pomocą dehydrogenazy acylo-CoA i koenzymu FAD. Dochodzi do uwolnienia Δ2-trans – enoilo-CoA i FADH2
2. uwodnienie Δ2-trans-enoilo-CoA katalizowane przez hydratazę Δ2-enoilo-CoA, co powoduje wytwarzanie 3-hydroksyacylo-CoA.
3. 3-hydroksyacylo-CoA zostaje utlenione do 3-ketoacylo-CoA, co katalizuje dehydrogenaza L(+)-3-hydroksyacylo-CoA. Dochodzi do wytworzenia NADH.
4. 3-ketoacylo-CoA jest rozrywany w pozycji 2,3 przez tiolazę, co prowadzi do acetylo-CoA i acylo-CoA, skróconego o dwa atomy węgla.

Cząsteczka acylo-CoA ponownie ulega reakcjom 1-4, co przyczynia się do całkowitego rozkładu długiego łańcucha kwasu tłuszczowego na acetylo-CoA. Następnie acetylo-CoA może zostać utleniony w cyklu kwasu cytrynowego, albo wejść w szlak ketogenezy.

Jeżeli kwas tłuszczowy miał parzystą liczbę atomów węgla, to w ostatnim cyklu acylo-CoA ma 4 atomy węgla i jest rozszczepiany na dwie cząsteczki acetylo-CoA. Utlenianie kwasów tłuszczowych o nieparzystej liczbie atomów węgla prowadzi do powstania cząsteczek acetylo-CoA i jednej cząsteczki propionylo-CoA.

W sytuacji, gdy utlenianie kwasów tłuszczowych zachodzi z dużą szybkością dochodzi do ketogenezy. Wówczas wątroba wytwarza znaczne ilości ciał ketonowych: acetooctanu, β-hydroksymaślanu i acetonu, który powstaje pod wpływem samoistnej dekarboksylacji acetooctanu. Acetooctan i β-hydroksymaślan wzajemnie się w siebie przekształcają pod wpływem enzymu dehydrogenazy D(-)-3-hydroksymaślanowej. Reakcję tą kontroluje odpowiedni stosunek [NAD+] do [NADH] czyli stan redoksowy.

W wyniku odwrócenia reakcji katalizowanej przez tiolazę powstaje acetoacetylo- CoA, który jest materiałem wyjściowym dla ketogenezy. Acetooctan-CoA powstaje również z końcowych czterech atomów węgla kwasu tłuszczowego podczas β-oksydacji. W wyniku połączenia się acetooctanu-CoA i jeszcze jednej cząsteczki acetylo-CoA powstaje reduktaza HMG-CoA- enzym wątrobowy, który reguluje ilość syntetyzowanego cholesterolu. Następnie dochodzi do odczepienia acetylo-CoA od HMG-CoA, czyli powstania wolnego acetooctanu. Proces ten katalizuje enzym liaza-3-hydroksy-3- metyloglutarylo-CoA. Enzym liaza-3-hydroksy-3-metyloglutarylo-CoA i HMG-CoA są niezbędne do tego aby ketogeneza mogła zachodzić, dlatego jedynym możliwym miejscem ketogenezy jest wątroba.

Zwiększenie ilości ciał ketonowych nazywamy ,,ketozą”, a dokładniej ketonemią- zwiększoną ilością ciał ketonowych we krwi i ketonurią- zwiększoną ilością ciał ketonowych w moczu. Podstawową i najbardziej fizjologiczną formą ketonemii jest ta, która występuje podczas głodzenia. W stanie głodzenia wzrasta stężenie wolnych kwasów tłuszczowych i dochodzi do wzrostu aktywności palmitoilotransferazy karnitynowej I (CPT-I), co powoduje wzrost utleniania kwasów tłuszczowych. Metylo- CoA, związek pośredni w biosyntezie kwasów tłuszczowych, w stanie sytości jest silnym inhibitorem CPT-I, a w okresie głodzenia jego stężenie zmniejsza się, co powoduje odblokowanie hamowania CPT-I.

Różne hormony i ich wzajemny stosunek mają wpływ na powyższe mechanizmy. W odpowiedzi na ilość i skład diety insulina i glukagon, wydzielane przez trzustkę, mogą odpowiednio tłumić lub stymulować ketogenezę. Na diecie wysokowęglowodanowej, gdy poziom insuliny jest wysoki, ketogeneza będzie zachodzić w mniejszym stopniu. Jeżeli poziom insuliny będzie stosunkowo niski, co przełoży się bezpośrednio na stosunek insulina-glukagon, procesy ketogenezy będą się nasilać. Niskie stężenie insuliny i względnie wysokie stężenie glukagonu i kortyzolu sprzyjają nasileniu generacji ciał ketonowych w wątrobie. Takie warunki można uzyskać głodówką lub dietą ketogenną.

Przeczytaj również Dieta ketogeniczna- od czego zacząć?

Bibliografia

1. Robert Kincaid Murray, Daryl K. Granner, Victor W. Rodwell: Biochemia Harpera ilustrowana. Warszawa: Wydawnictwo Lekarskie PZWL, 2008. ISBN 978-83-200-3963-4,
2. Starbała A., Bawa S.: Zastosowanie diety ketogennej we wspomaganiu leczenia epilepsji, ROCZN. PZH 2007, 58, NR 1, 1-144,