Taukskābju sadalīšana: no tauku piliena līdz ATF

Taukaudu šūnās tauki glabājas kā triglicerīdi vienā lielā pilienā, ko no citoplazmas norobežo īpašu olbaltumvielu slānis. Lipolīze ir šī piliena pakāpeniska sadalīšana, un to veic trīs fermenti, kas darbojas cits pēc cita, atšķeļot pa vienai taukskābei.

Procesu sāk hormonu signāls. Kateholamīni un glikagons caur šūnas receptoriem palielina ciklisko adenozīnmonofosfātu, kas aktivē olbaltumvielu kināzi A. Tā fosforilē gan piliena virsmas olbaltumvielas, gan lipāzi, un piliena virsma kļūst pieejama fermentiem. Insulīns darbojas pretēji un lipolīzi nomāc.

Atbrīvotās taukskābes izplūst asinīs, kur tās pārnēsā albumīns, jo ūdenī tās praktiski nešķīst. Glicerīns, kas paliek pāri, nonāk aknās un var kalpot par izejvielu glikozes sintēzei.

1. Hormonāls signāls aktivē olbaltumvielu kināzi A tauku šūnā.
2. Tauku piliena virsmas olbaltumvielas tiek fosforilētas, atverot pieeju pilienam.
3. Triglicerīdu lipāze atšķeļ pirmo taukskābi, atstājot diglicerīdu.
4. Hormonjutīgā lipāze atšķeļ otro taukskābi.
5. Monoglicerīdu lipāze atbrīvo trešo taukskābi un glicerīnu.

Šūnā nonākusī taukskābe pati par sevi vielmaiņā piedalīties nevar. Vispirms tā jāaktivē, saistot ar koenzīmu A. Šo reakciju veic acilkoenzīma A sintetāze uz mitohondrija ārējās membrānas, un tā patērē adenozīntrifosfātu, kas tiek šķelts līdz adenozīnmonofosfātam. Tātad ieguldījums ir divu enerģētiski bagātu saišu vērts.

Nākamā problēma ir mehāniska: iekšējā mitohondrija membrāna garām acilkoenzīma A molekulām ir necaurlaidīga. Risinājums ir karnitīna sistēma. Ārējā membrānā karnitīna palmitoiltransferāze I pārnes acilgrupu no koenzīma A uz karnitīnu. Izveidojies acilkarnitīns tiek pārnests cauri iekšējai membrānai ar translokāzes palīdzību, un iekšpusē karnitīna palmitoiltransferāze II acilgrupu atkal pievieno koenzīmam A.

Tieši šis solis ir visa ceļa galvenais regulācijas punkts. Malonilkoenzīms A, kas rodas, kad organisms sintezē taukskābes, nomāc karnitīna palmitoiltransferāzi I. Tādējādi šūna nevar vienlaikus taukskābes gan būvēt, gan sadalīt, un enerģētiski bezjēdzīgs tukšgaitas cikls tiek novērsts.

Īsas un vidēji garas ķēdes taukskābes šo sistēmu neizmanto, jo spēj iekļūt mitohondrijā tieši. Ļoti garas ķēdes taukskābes turpretī vispirms tiek saīsinātas peroksisomās un tikai tad nodotas mitohondrijam.

Mitohondrija matriksā sākas pati sadalīšana. Tās nosaukums nāk no tā, ka ķīmiskās pārmaiņas notiek pie otrā oglekļa atoma no karboksilgrupas, ko apzīmē ar burtu bēta. Katrs cikls sastāv no četrām reakcijām un beidzas ar to, ka no ķēdes atdalās divus oglekļa atomus saturošs acetilkoenzīms A, bet pārējā ķēde par tikpat saīsinās.

Cikls atkārtojas, līdz visa ķēde ir sadalīta. Katrā apritē rodas viena samazināta flavīna nukleotīda molekula un viena samazināta nikotīnamīda nukleotīda molekula, kuras nodod elektronus elpošanas ķēdē, kur tiek saražots adenozīntrifosfāts.

Acetilkoenzīms A ir vielmaiņas centrālais krustpunkts. Ja organismā vienlaikus pietiek oksaloacetāta, tas iekļaujas citronskābes ciklā, kur pilnībā oksidējas līdz oglekļa dioksīdam, atdodot elektronus elpošanas ķēdei.

Badošanās vai ilgstošas ogļhidrātu nepietiekamības apstākļos oksaloacetāts tiek novirzīts glikozes sintēzei, un citronskābes cikls taukskābju plūsmu vairs nespēj uzņemt. Tad aknās acetilkoenzīms A tiek pārveidots ketonvielās, kuras izplūst asinīs un kalpo par degvielu smadzenēm, sirdij un skeleta muskuļiem.

Svarīgi saprast, ka tieši no taukskābēm glikozi cilvēks iegūt nevar. Acetilkoenzīms A citronskābes ciklā pilnībā sadegs, un neto oglekļa ieguvuma glikozes sintēzei nav. Vienīgie izņēmumi ir glicerīns un nepāra ķēdes taukskābju gala fragments, un abi devumi ir nelieli. Šī ir viena no pamatlietām, kas izskaidro, kāpēc badošanās laikā organisms tomēr noārda arī olbaltumvielas.

Lielākā daļa dabā sastopamo taukskābju satur pāra skaitu oglekļa atomu un bēta oksidēšanā sadalās gluži bez atlikuma. Nepāra ķēdes gadījumā pēdējais fragments ir trīs oglekļa atomus saturošs propionilkoenzīms A, kas pa atsevišķu ceļu pārvēršas sukcinilkoenzīmā A. Viena no šī ceļa reakcijām prasa B12 vitamīnu, tāpēc tā traucējumi parādās B12 deficīta laboratoriskajā ainā.

Nepiesātinātajām taukskābēm ir dubultsaites nepareizā vietā vai nepareizā telpiskā formā, tāpēc bēta oksidēšanas standarta fermenti ar tām netiek galā. Šeit iesaistās papildu fermenti, izomerāze un reduktāze, kas dubultsaites pārkārto piemērotā veidā.

Ļoti garas ķēdes taukskābes un dažas zarotas ķēdes sākotnēji tiek apstrādātas peroksisomās. Šo organellu darbības traucējumi rada atsevišķu iedzimtu slimību grupu, kurā uzkrājas ļoti garas ķēdes taukskābes un cieš galvenokārt nervu sistēma.

• Pāra ķēde: sadalās pilnībā acetilkoenzīmā A.
• Nepāra ķēde: paliek propionilkoenzīms A, kas ieplūst citronskābes ciklā.
• Nepiesātinātās: nepieciešami papildu fermenti dubultsaišu pārkārtošanai.
• Ļoti garas ķēdes: sākotnēja saīsināšana peroksisomās.
• Īsas un vidēji garas ķēdes: iekļūst mitohondrijā bez karnitīna sistēmas.

Iedzimti taukskābju oksidēšanas defekti ir salīdzinoši reta, bet klīniski svarīga slimību grupa, jo tie var izpausties pēkšņi un smagi. Raksturīgais scenārijs ir bērns, kurš ilgāku laiku nav ēdis, piemēram, vīrusu infekcijas laikā ar vemšanu, un kuram attīstās vājums, miegainība, zems glikozes līmenis asinīs un aknu funkcijas traucējumi.

Diagnostiski būtiska pazīme ir hipoglikēmija bez atbilstoša ketonvielu pieauguma. Ja taukskābju sadalīšana nedarbojas, ketonvielas neveidojas, un organismam nav rezerves degvielas. Tieši šī kombinācija liek domāt par šo slimību grupu.

Karnitīna deficīts var būt gan iedzimts, gan iegūts, piemēram, ilgstošas dialīzes vai atsevišķu medikamentu lietošanas gadījumā. Cukura diabēta gadījumā problēma ir pretēja: insulīna trūkuma dēļ lipolīze netiek bremzēta, ketonvielu veidošanās kļūst nekontrolēta, un attīstās ketoacidoze.

Ar šiem stāvokļiem strādā pediatrs, medicīnas ģenētiķis un vielmaiņas slimību speciālists, bet cukura diabēta gadījumā endokrinologs. Neatliekama palīdzība nepieciešama, ja cilvēkam ar zināmu vielmaiņas slimību vai cukura diabētu parādās izteikts vājums, vemšana, strauja elpošana, acetona smaka izelpā vai apziņas traucējumi.

• Vidējas ķēdes acilkoenzīma A dehidrogenāzes deficīts: viens no biežākajiem, meklēts jaundzimušo skrīningā.
• Ļoti garas ķēdes dehidrogenāzes deficīts: var izpausties ar sirds muskuļa slimību un muskuļu sabrukšanu.
• Karnitīna transporta un karnitīna palmitoiltransferāzes defekti: vājums, hipoglikēmija, muskuļu simptomi.
• Peroksisomu slimības: uzkrājas ļoti garas ķēdes taukskābes, cieš nervu sistēma.
• Diabētiskā ketoacidoze: nekontrolēta lipolīze un ketonvielu veidošanās insulīna trūkuma dēļ.

Pamatizmeklējumi akūtā situācijā ir glikozes līmenis asinīs, ketonvielas asinīs vai urīnā, skābju un sārmu līdzsvars, amonjaks un aknu rādītāji. Jau šī kombinācija ļauj saprast, vai runa ir par taukskābju oksidēšanas traucējumu.

Specifiskā diagnostika balstās uz acilkarnitīnu spektra noteikšanu asinīs ar tandēma masspektrometriju, kas parāda, kurā ķēdes garumā process apstājas. Papildus nosaka organiskās skābes urīnā un brīvo un kopējo karnitīnu. Diagnozi apstiprina ar molekulāri ģenētisku izmeklēšanu.

Daudzās valstīs, tostarp Latvijā, jaundzimušo skrīnings ietver vielmaiņas slimību meklēšanu, un tieši šī programma ļauj daļu no šiem stāvokļiem atklāt pirms pirmās smagās epizodes. Ārstēšanas pamats parasti ir badošanās izvairīšanās, īpašs uztura režīms un skaidrs rīcības plāns slimības dienās.

Pirmā nianse: tauku sadedzināšana nav tieši saistīta ar tauku daudzumu uzturā konkrētajā brīdī. Tas, cik daudz taukskābju tiek sadalīts, ir atkarīgs galvenokārt no insulīna un no tā, cik daudz enerģijas organismam vajag. Zema intensitāte slodzē dod lielāku tauku daļu enerģijas ieguvē, bet mazāku kopējo enerģijas patēriņu, tāpēc uz svara izmaiņām nozīme ir kopējai enerģijas bilancei, nevis šai proporcijai.

Otra: iemesls, kāpēc bēta oksidēšana dod tik daudz enerģijas, ir tas, ka taukskābes oglekļa atomi ir daudz vairāk reducēti nekā ogļhidrātu. Vienkāršoti sakot, tie ir tālāk no sadegšanas gala stāvokļa, tāpēc ceļā līdz tam var iegūt vairāk elektronu.

Trešā: sirds miera stāvoklī lielāko daļu enerģijas iegūst tieši no taukskābēm, nevis no glikozes. Slimas sirds gadījumā šis sadalījums mainās, un vielmaiņas pārkārtošanās ir viena no sirds mazspējas pētījumu tēmām.

Ceturtā, praktiskā: tieši tāpēc, ka karnitīna sistēma ir šī ceļa šaurā vieta, karnitīns tiek plaši pārdots kā uztura bagātinātājs sporta veikalos. Cilvēkam bez karnitīna deficīta papildu uzņemšana šo sistēmu nepadara ātrāku, jo tā nav ierobežotāja veselā organismā. Karnitīna preparātiem ir vieta pierādītā deficīta ārstēšanā, un lēmumu par to pieņem ārsts.