Lipid chiếm từ 10 đến 20% trọng lượng cơ thể động vật có vú, trong đó thành phần chủ yếu là lipid trung tính (triacylglycerol). Loại lipid này có mặt trong tất cả các cơ quan, đặc biệt là trong các mô dự trữ. Trong quá trình tiến hóa của sinh giới nó đã tỏ ra thích hợp với chức năng dự trữ năng lượng, vì trong mỗi phân tử của nó chứa đến 3 gốc acid béo với mức độ khử cao, do đó khi bị oxy-hóa, những acid béo này sản sinh ra nhiều năng lượng hơn bất kỳ một nhóm hợp chất nào khác. Ví dụ mức năng lượng dự trữ dễ huy động của lipid trong cơ thể con người cao hơn gấp 100 lần so với glucid.
Thành phần của lipid dự trữ biến động ở các loài khác nhau, song trong phạm vi mỗi loài thì thường khá giống nhau. Hơn 99% lipid dự trữ tích lũy trong các mô của người là triacylglycerol, bất kể nó được tích lũy ở đâu. Nói chung, lipid dự trữ giàu acid béo no hơn lipid trong gan. Càng giàu acid béo no thì khi bị oxy-hóa nó càng sản sinh nhiều năng lượng.
Triacylglycerol không chỉ có chức năng cung cấp năng lượng cho các quá trình hoạt động sống mà còn cung cấp nguyên liệu để tổng hợp hàng loạt các hợp chất khác nhau trong tế bào. Đó là những vấn đề sẽ được xem xét trong chương này. Quá trình trao đổi các nhóm lipid khác sẽ không được xét đến ở đây.
I. OXY-HÓA ACID BÉO.
Dưới tác dụng của enzmyme lipase, triacylglycerol bị thủy phân thành glycerol và acid béo. Glycerol sau đó được lôi cuốn vào quá trình glycolys sau khi được hoạt hóa thành glycerol-3-phosphate nhờ glycerokinase.
Glycerol + ATP Glycerol-3-phosphate + ADP.
Trong khi đó acid béo bị oxy-hóa bằng các con đường khác nhau mà chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu sau đây.
1. -Oxy-hó a aci d bé o n o co ù so á nguyê n tư û carbo n chẳn.
Quá trình -oxy-hóa được bắt đầu bằng một phản ứng chuẩn bị, trong đó acid béo được chuyển thành dạng hòa tan trong nước là acyl-CoA, trong đó các nguyên tử hydro - của gốc acid được hoạt hóa:
O O
R-CH2-CH2-C-OH + ATP + CoA-SH R-CH2-CH2-C-S-CoA + AMP + PPi
Phản ứng này được xúc tác bởi nhóm enzyme hoạt hóa acid béo gồm acetate thiolase và các acyl-CoA synthetase. Nhóm enzyme này bao gồm ít nhất hai loại: loại thứ nhất đặc hiệu đối với những chuỗi hydrocarbon có chiều dài trung bình (4- 12 nguyên tử carbon); loại thứ hai đặc hiệu cho những chuỗi dài hơn. Ngoài ra, trong ty thể còn có một loại acyl-CoA synthetase hoạt động với sự tham gia của GTP, nhưng khác với các enzyme hoạt hóa khác, trong phản ứng hai phân tử GTP lần lượt bị phân giải thành 2 GDP và 2 Pi .
Một trong những yếu tố xác định tốc độ oxy-hóa acid béo là tốc độ xuyên thấm của chúng vào ty thể. Trong khi một số acit béo (khoảng 30% acid béo tổng số) tự chúng có thể xuyên thấm vào ty thể và trong matrix của bào quan này sẽ được hoạt hóa thành acyl-CoA, thì phần lớn acid béo có mạch carbon dài hơn không chui qua được màng trong của ty thể và do đó cần phải được hoạt hóa ngay sau khi xuyên qua được màng ngoài của ty thể. Sau đó những acyl-CoA này sẽ di chuyển qua lớp màng trong của ty thể nhờ liên kết tạm thời với một chất vận chuyển là carnitine (-trimethyl-amino--oxybutyrate).
(CH3)N+-CH2-CH-CH2-COOH OH
Carnitine
Carnitine có mặt hầu như trong mọi cơ thể và trong tất cả các mô động thực vật. Nhờ một acyl transferase đặc hiệu, gốc acyl của acyl-CoA được chuyển cho nhóm -OH của carnitine, tạo nên acylcarnitine:
O O H ––––N+
(CH3)3
R-C-S-CoA –––––– R C O O-
–––– C Carnitin CoA-SH (Acylcarnitin) O Người ta cho rằng acyl-carnitine dễ xuyên qua màng hơn acyl-CoA vì các điện tích âm và dương nằm gần nhau hơn và dễ trung hòa nhau. Sau khi đi vào matrix của ty thể và trước khi bắt đầu quá trình -oxy-hóa, nhóm acyl lại được chuyển về cho CoA-SH.
Quá trình -oxy-hóa acid béo no được thực hiện qua 4 phản ứng kế tiếp sau
ủaõy: Acyl-CoA- dehydrogenase
1/ R-CH2-CH2-CH2-CO-S-CoA + FAD >
R-CH2-CH=CH-CO-S-CoA + FAD.H2
Enoyl-CoA- dehydratase 2/ R-CH2-CH=CH-CO-S-CoA + H2O >
R-CH2-CH2-CHOH-CO-S-CoA
-Hydroxyacyl-CoA- dehydrogenase 3/ R-CH2-CHOH-CH2-CO-S-CoA + NAD >
R-CH2-CO-CH2-CO-S-CoA + NAD.H + H+ Thiolase 4/ R-CH2-CO-CH2-CO-S-CoA + CoA-SH>
R-CH2-CO-S-CoA + CH3-CO-S-CoA
Trước tiên, trong phản ứng (1), acyl-CoA bị oxy-hóa với sự xúc tác của acyl- CoA dehydrogenase mà coenzyme là FAD. Trong phản ứng này các nguyên tử H tại các vị trí - và - được FAD lấy đi. Kết quả là hình thành một dẫn xuất không no enoyl-CoA. Tiếp theo, trong phản ứng (2) enoyl-CoA bị hydrate hóa, trong đó nhóm -OH được gắn tại vị trí -, còn nguyên tử hydro - tại vị trí
-. Kết quả tạo ra L--oxyacyl-CoA. Trong phản ứng (3) chức rượu tại vị trí - bị oxy-hóa bởi - oxyacyl-CoA dehydrogenase với coenzyme là NAD+, dẫn đến sự hình thành - cetoacyl-CoA. Cuối cùng, trong phản ứng (4) với sự xúc tác của acyl-CoA-thiolase và một phân tử CoA-SH tự do mạch cetoacyl-CoA bị cắt giữa C- và C- để tạo ra acetyl-CoA và một acyl-CoA mới ngắn hơn acyl-CoA ban đầu 2 nguyên tử carbon. Nó lại sẽ tiếp tục bị oxy-hóa theo trật tự 4 phản ứng trên để tạo ra phân tử acetyl- CoA thứ hai. Quá trình này sẽ tiếp tục cho đến khi toàn bộ phân tử acyl-CoA với 2n nguyên tử carbon bị phân giải thành n phân tử acetyl-CoA.
Qua trật tự các phản ứng trên ta thấy cùng với việc rút ngắn một đơn vị acetyl-CoA (C2) từ phân tử acid béo cơ chế -oxy-hóa cho phép tạo ra một phân tử NAD.H và một phân tử FAD.H2. Một phân tử acetyl-CoA trong chu trình acid tricarboxylic sẽ tạo ra thêm 1 ATP, 3 NAD.H và 1 FAD.H2. Trong chuỗi hô hấp toàn bộ số coenzyme khử này sẽ tạo ra 16 phân tử ATP. Như vậy, 17 phân tử ATP hình thành khi một đơn vị C2 của acid béo bị oxy-hóa hoàn toàn thành khí carbonic và nước. Mạch acid béo càng dài thì trong -oxy-hóa càng tạo ra nhiều acetyl-CoA, và do đó khi bị oxy-hóa hoàn toàn sẽ sản sinh ra càng nhiều năng lượng hơn. Tuy nhiên, acetyl-CoA sau khi hình thành có thể không bị oxy-hóa tiếp tục theo chu trình acid tricarboxylic mà được dùng cho các mục đích sinh tổng hợp theo trật tự các phản ứng của chu trình glyoxilate.
2.
Oxy-hó a aci d bé o n o co ù so á nguyê n tư û carbo n lẻ.
Phần lớn acid béo chứa trong các mô của cơ thể người, động vật và thực vật có số chẳn nguyên tử carbon và mạch carbon không phân nhánh. Tuy nhiên, trong một số vi sinh vật và trong sáp thường gặp các acid béo có cấu trúc phân nhánh, chủ yếu bởi các nhóm CH3 (hình 6.1). Nếu mức độ phân nhánh không nhiều và tất cả các điểm phân nhánh đều nằm tại vị trí chẳn (tính từ đầu carboxyl) thì quá trình -oxy-hóa xảy ra bình thường. Khi mạch acid béo bị
phân hủy,bên cạnh acetyl-CoA còn
tạo ra propionyl-CoA.
Nếu các nhóm methyl nằm tại các vị trí lẻ thì quá trình - oxy-hóa bị phong tỏa sau khi thực hiện phản ứng acyl- CoA dehydrogenase. Trong trường hợp này nếu nhóm methyl của mạch nhánh nằm sát đầu tận cùng đối diện thì sẽ dẫn đến sự hình thành -CoA.
Sự chuyển hóa tiếp tuùc cuỷa isovaleryl- CoA hiện nhờ trật tự được thực hiện nhờ trật tự các phản ứng sau:
4 3 2 1
-CH2-CH2-CH-CO-S-CoA CH3
-oxy-hóa dẫn tới sự hình thành propionyl-CoA
4 3 2 1
-CH2-CH-CH2-CO-S-CoA CH3
-oxy-hóa bị phong tỏa
4 3 2 1
CH3-CH-CH2-CO-S-CoA CH3
-oxy-hóa bị phong toả và phần còn lại là isovaleryl CoA Hình 6.1. Các kiểu phân nhánh của acid béo và quan hệ giữa chúng với hệ enzyme -oxy-hóa
CH3-CH-CH2-CO-S-CoA ––––––– CH3-C=CH-CO-S-CoA ––––––
CH3 CH3
FAD FAD.H2
Biotin-COO- Biotin H2O
–––––––––––––––––––––– CH3-C=CH-CO-S-CoA –––––––––