BETA OSSIDAZIONE DEGLI ACIDI GRASSI: FASI, REAZIONI, PRODOTTI, REGOLAZIONE - BIOLOGIA - 2025

La beta ossidazione degli acidi grassi è la via del catabolismo (degradazione) degli acidi grassi, la cui funzione principale è la produzione o "rilascio" dell'energia contenuta nei legami di queste molecole.

Questa via fu scoperta nel 1904 grazie agli esperimenti condotti dal tedesco Franz Knoop, che consistevano nella somministrazione, a ratti sperimentali, di acidi grassi il cui gruppo metilico finale era stato modificato con un gruppo fenile.

Diagramma della beta ossidazione degli acidi grassi (Fonte: Arturo González Laguna tramite Wikimedia Commons)

Knoop si aspettava che i prodotti del catabolismo di questi acidi grassi "analogici" seguissero percorsi simili al percorso di ossidazione degli acidi grassi normali (naturali non modificati). Tuttavia, ha scoperto che c'erano differenze nei prodotti ottenuti in funzione del numero di atomi di carbonio degli acidi grassi.

Con questi risultati, Knoop ha proposto che la degradazione avvenisse a "gradini", iniziando con un "attacco" al carbonio β (quello in posizione 3 rispetto al gruppo carbossilico terminale), rilasciando frammenti di due atomi di carbonio.

Successivamente è stato dimostrato che il processo richiede energia sotto forma di ATP, che viene prodotto nei mitocondri e che i frammenti di due atomi di carbonio entrano nel ciclo di Krebs come acetil-CoA.

In breve, la beta ossidazione degli acidi grassi coinvolge l'attivazione del gruppo carbossilico terminale, il trasporto dell'acido grasso attivato nella matrice mitocondriale e l'ossidazione "a gradini" del carbonio due per due dal gruppo carbossilico.

Come molti processi anabolici e catabolici, questa via è regolata, poiché merita la mobilitazione degli acidi grassi “di riserva” quando le altre vie cataboliche non sono sufficienti a soddisfare le richieste energetiche cellulari e corporee.

Passi e reazioni

Gli acidi grassi sono prevalentemente nel citosol, sia che provengano da vie biosintetiche o da depositi di grasso immagazzinati dal cibo ingerito (che deve entrare nelle cellule).

- Attivazione degli acidi grassi e trasporto ai mitocondri

L'attivazione degli acidi grassi richiede l'uso di una molecola di ATP e ha a che fare con la formazione di coniugati acil tioestere con il coenzima A.

Questa attivazione è catalizzata da un gruppo di enzimi chiamati acetil-CoA ligasi specifici per la lunghezza della catena di ciascun acido grasso. Alcuni di questi enzimi attivano gli acidi grassi quando vengono trasportati nella matrice mitocondriale, poiché sono incorporati nella membrana mitocondriale esterna.

Attivazione degli acidi grassi (Fonte: Jag123 su Wikipedia in inglese tramite Wikimedia Commons)

Il processo di attivazione avviene in due fasi, prima producendo un adenilato acilico dall'acido grasso attivato con ATP, dove viene rilasciata una molecola di pirofosfato (PPi). Il gruppo carbossilico attivato dall'ATP viene quindi attaccato dal gruppo tiolico del coenzima A per formare acil-CoA.

La traslocazione dell'acil-CoA attraverso la membrana mitocondriale è ottenuta da un sistema di trasporto noto come navetta della carnitina.

- Beta ossidazione di acidi grassi saturi con un numero pari di atomi di carbonio

La degradazione degli acidi grassi è un percorso ciclico, poiché il rilascio di ogni frammento di due atomi di carbonio è immediatamente seguito da un altro, fino a raggiungere l'intera lunghezza della molecola. Le reazioni che hanno parte in questo processo sono le seguenti:

- Deidrogenazione.

- Idratazione di un doppio legame.

- Deidrogenazione di un gruppo idrossile.

- Frammentazione per attacco di una molecola di acetil-CoA sul carbonio β.

Reazione 1: prima deidrogenazione

Consiste nella formazione di un doppio legame tra l'α-carbonio e il β-carbonio eliminando due atomi di idrogeno. È catalizzato da un enzima acil-CoA deidrogenasi, che forma una molecola di trans∆2-enoil-S-CoA e una molecola di FAD + (cofattore).

Reazioni 2 e 3: idratazione e deidrogenazione

L'idratazione è catalizzata dall'enoil-CoA idratasi, mentre la deidrogenazione è mediata dalla 3-idrossiacil-CoA deidrogenasi, e quest'ultima reazione dipende dal cofattore NAD +.

L'idratazione del trans∆2-enoil-S-CoA dà origine a un 3-idrossiacil-CoA, la cui deidrogenazione produce una molecola 3-chetoacil-CoA e un NADH + H.

I FADH2 e NADH prodotti nelle prime tre reazioni di beta ossidazione vengono riossidati attraverso la catena di trasporto degli elettroni, grazie alla quale partecipano alla produzione di ATP, 2 molecole per ogni FADH2 e 3 molecole per ogni NADH.

Reazione 4: frammentazione

Ogni ciclo di beta ossidazione che rimuove una molecola con due atomi di carbonio termina con la scissione “tiolitica” del cheto carbonio, che viene attaccato dal coenzima A al legame tra i carboni α e β.

Questa reazione è catalizzata dall'enzima β-chetotiolasi o tiolasi, ei suoi prodotti sono una molecola di acil-CoA (l'acido grasso attivato con due atomi di carbonio in meno) e una di acetil-CoA.

- Beta ossidazione di acidi grassi saturi con un numero dispari di atomi di carbonio

Negli acidi grassi con un numero dispari di atomi di carbonio (che sono poco abbondanti), la molecola dell'ultimo ciclo di degradazione ha 5 atomi di carbonio, quindi la sua frammentazione produce una molecola di acetil-CoA (che entra nel ciclo di Krebs) e un altro di propionil-CoA.

Il propionil-CoA deve essere carbossilato (reazione dipendente da ATP e bicarbonato) dall'enzima propionil-CoA carbossilasi, formando così un composto noto come D-metilmalonil-CoA, che deve essere epimerizzato nella sua forma "L".

Beta ossidazione degli acidi grassi dispari (Fonte: Eleska tramite Wikimedia Commons)

Il composto risultante dall'epimerizzazione viene quindi convertito in succinil-CoA dall'azione dell'enzima L-metilmalonil-CoA mutasi, e questa molecola, così come l'acetil-CoA, entra nel ciclo dell'acido citrico.

- Beta ossidazione degli acidi grassi insaturi

Molti lipidi cellulari hanno catene di acidi grassi insaturi, cioè hanno uno o più doppi legami tra i loro atomi di carbonio.

L'ossidazione di questi acidi grassi è leggermente diversa da quella degli acidi grassi saturi, poiché due enzimi aggiuntivi, l'enoil-CoA isomerasi e la 2,4-dienoil-CoA reduttasi, sono incaricati di eliminare queste insaturazioni in modo che questi acidi grassi può essere un substrato per l'enzima enoil-CoA idratasi.

Beta ossidazione degli acidi grassi insaturi (Fonte: Hajime7basketball via Wikimedia Commons)

L'Enoil-CoA isomerasi agisce sugli acidi grassi monoinsaturi (con una sola insaturazione), mentre l'enzima 2,4-dienoil-CoA reduttasi reagisce con gli acidi grassi polinsaturi (con due o più insaturazioni).

- Beta ossidazione extramitocondriale

La beta ossidazione degli acidi grassi può avvenire anche all'interno di altri organelli citosolici come i perossisomi, ad esempio, con la differenza che gli elettroni trasferiti al FAD + non vengono consegnati alla catena respiratoria, ma direttamente all'ossigeno.

Questa reazione produce perossido di idrogeno (l'ossigeno viene ridotto), un composto che viene eliminato dall'enzima catalasi, specifico di questi organelli.

Prodotti di beta ossidazione

L'ossidazione degli acidi grassi produce molta più energia rispetto alla scomposizione dei carboidrati. Il prodotto principale della beta ossidazione è l'acetil-CoA prodotto in ogni fase della porzione ciclica del percorso, tuttavia, altri prodotti sono:

- AMP, H + e pirofosfato (PPi), prodotti durante l'attivazione.

- FADH2 e NADH, per ogni acetil-CoA prodotto.

- Succinil-CoA, ADP, Pi, per acidi grassi a catena dispari.

Beta ossidazione dell'acido palmitico (Fonte: ´Rojinbkht tramite Wikimedia Commons)

Se consideriamo ad esempio la completa beta ossidazione dell'acido palmitico (palmitato), un acido grasso con 16 atomi di carbonio, la quantità di energia prodotta è equivalente a più o meno 129 molecole di ATP, che provengono dai 7 giri che deve completare il ciclo.

Regolamento

La regolazione della beta ossidazione degli acidi grassi nella maggior parte delle cellule dipende dalla disponibilità di energia, non solo correlata ai carboidrati ma anche agli acidi grassi stessi.

Gli animali controllano la mobilizzazione e, quindi, la scomposizione dei grassi attraverso stimoli ormonali, che allo stesso tempo sono controllati da molecole come il cAMP, per esempio.

Nel fegato, principale organo di decomposizione dei grassi, la concentrazione di malonil-CoA è estremamente importante per la regolazione della beta ossidazione; questo è il primo substrato coinvolto nel percorso di biosintesi degli acidi grassi.

Quando il malonil-CoA si accumula in grandi proporzioni, promuove la biosintesi degli acidi grassi e inibisce il trasportatore mitocondriale o la navetta dell'acil-carnitina. Quando la sua concentrazione diminuisce, cessa l'inibizione e viene attivata la beta ossidazione.

Riferimenti

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