เมแทบอลิซึมของกรดไขมัน

เมแทบอลิซึมของกรดไขมันประกอบด้วยกระบวนการคาทาบอลิกที่ผลิตพลังงาน และกระบวนการเอนาบอลิกที่ผลิตโมเลกุลที่มีความสำคัญทางชีววิทยา (ไตรกีเซอไรด์, ฟอสฟอลิพิด, second messengers, local hormones และ คีโตนบอดีส์)กรดไขมันเป็นกลุ่มใหญ่ ๆ ของโมเลกุลที่จัดประเภทภายในชั้นของมาโครนิวทรีเอนต์ลิพิด หน้าที่ประการหนึ่งของกรดไขมันในเมแทบอลิซึมของสัตว์นั้นคือการผลิตพลังงานในรูปของATP หากเปรียบเทียบกับชั้นมาโครนิวทริเอนต์อื่น ๆ (คาร์โบไฮเดรตและโปรตีน) แล้ว กรดไขมันให้ ATP มากที่สุดในแง่ของพลังงานต่อกรัม เมื่อกรดไขมันได้ถูกออกซิไดส์สำเร็จเป็น CO₂ และน้ำ ผ่านเบตาออกซิเดชัน และวัฏจักรกรดซิตริก กรดไขมัน (โดยหลักแล้วอยู่ในรูปของไตรกลีเซอไรด์) จึงเป็นรูปแบบการกักเก็บของเชื้อเพลิงที่สำคัญที่สุดในสัตว์ส่วนใหญ่ และน้อยลงในพืช นอกจากนี้กรดไขมันยังเป็นองค์ประกอบสำคัญในฟอสฟอลิพิดที่สร้างฟอสฟอลิพิดไบเลเยอร์ในเยื่อหุ้มเซลล์

แคแทบอลิซึมของกรดไขมัน

กรดไขมันจะถูกปล่อยออกจากแหล่งเก็บไขมันในเนื้อเยื่ออะดิโพส (adipose tissue) ระหว่างเมื้ออาหาร ดังต่อไปนี้

• ลิพอไลซิส (lipolysis): การกำจัดสายกรดไขมันจากกลีเซอรอลโดยใช้เอนไซม์ไลเพส ซึ่งถูกกระตุ้นโดยระดับของ epinephrine และ glucagon ที่สูงขึ้นในเลือด (หรือจาก norepinephrine ที่หลั่งโดยระบบประสาทซิมพาเธติกในเนื้อเยื่ออะดิโพส) อันเกิดากระดับกลูโคสในเลือดที่ลดต่ำลงหลังมื้ออาหาร ที่ซึ่งระดับอินซูลินในเลือดลดต่ำตามลงไปเช่นกัน
• กรดไขมันอิสระที่หลุดออกจากกลีเซอรอลเข้าสู่กระแสเลือดที่ซึ่งขนส่งโดยติดเข้ากับอัลบูมินในพลาสมาเลือดไปยังส่วนต่าง ๆ ของร่างกาย
• กรดไขมันอิสระโซ่ยาวเข้าสู่เซลล์เมแทบอลิซึม (คือเซลล์มีชีวิตส่วนมากในร่างกายยกเว้นเซลล์เม็ดเลือดแดงและเซลล์ประสาทในระบบประสาทส่วนกลาง) ผ่านทางโปรตีนขนส่งเฉพาะชนิด เช่นโปรตีนขนส่งกรดไขมัน SLC27 family เซลล์เม็ดเลือดแดงนั้นไม่มีไมโทคอนเดรียจึงไม่สามารถมีกระบวนการเมแทบอลิซึมได้ ในขณะที่เนื้อเยื่อของระบบประสาทส่วนกลางนั้นมีไมโทคอนเดรีย แต่ไม่สามารถใช้งานกรดไขมันได้ เนื่องจากกรดไขมันโซ่ยาว (ซึ่งตรงกันข้ามกับกรดไขมันโซ่ปานกลาง) ไม่สามารถขนส่งเข้าผ่าน blood brain barrier ได้
• เมื่อเข้าสู่เซลล์แล้ว เอนไซม์ long-chain-fatty-acid—CoA ligase จะเข้าเร่งปฏิกิริยาระหว่างกรดไขมันกับ ATP (ที่ซึ่งแตกเป็น AMP และ inorganic pyrophosphate) เพื่อให้เกิดเป็น fatty acyl-adenylate ซึ่งจะทำปฏิกิริยากับ coenzyme A อิสระให้เป็นโมเลกุล fatty acyl-CoA อิสระ
• เพื่อที่จะให้ acyl-CoA เดินทางเข้าสู่ไมโทคอนเดรีย ต้องใช้ตัวขนส่ง carnitine shuttle ดังต่อไปนี้

1. Acyl-CoA จะถูกส่งผ่านไปยังหมู่ไฮดรอกซิลของ carnitine โดย carnitine palmitoyltransferase I ซึ่งอยู่บนด้านไซโทซอลิก (cytosolic faces) ของเยื่อหุ้มชั้นนอกและและชั้นในของไมโทคอนเดรีย
2. Acyl-carnitine จะถูกส่งต่อเข้าไปภายในโดยใช้ carnitine-acylcarnitine translocase ในขณะที่ carnitine จะถูกส่งออกนอกเซลล์
3. Acyl-carnitine จะถูกแปลงกลับไปเป็น acyl-CoA ด้วย carnitine palmitoyltransferase II ซึ่งตั้งอยู่บนผิวชั้นในของเยื่อหุ้มไมโทคอนเดรียชั้นใน ส่วน carnitine ที่ถูกปล่อยออกไปนั้นจะถูกส่งกลับเข้ามาในไซโทซอล ส่วน acyl-CoA จะถูกส่งเข้าไปในเมทริกซ์ของไมโทคอนเดรีย

• เบตาออกซิเดชัน เกิดขึ้นในเมทริกซ์ของไมโทคอนเดรีย จะตัดสายคาร์บอนยาวของกรดไขมัน (ในรูปของโมเลกุล acyl-CoA) กลายเป็นหน่วยคาร์บอนสองหน่วย (acetate) ซึ่งเมื่อรวมเข้ากับ co-enzyme A จะเกิดเป็นโมเลกุล acetyl CoA ซึ่งจะรวมกับ oxaloacetate เกิดเป็น citrate ใน "ช่วงต้น" ของวัฏจักรกรดซิตริก
• acetyl-CoA ที่ผลิตจากกระบวนการเบตาออกซิเดชันเข้าสู่วัฏจักรกรดซิตริกในไมโทคอนเดรียโดยรวมเข้ากับ oxaloacetate เกิดเป็น citrate ซึ่งจะส่งผลเป็นกระบวนการเผาไหม้สมบูรณ์ของ acetyl-CoA เป็น CO₂ และน้ำ พลังงานที่ถูกปล่อยออกมาในกระบวนการนี้จะถูกเก็บในรูปของ 1 GTP และ 11 ATP ต่อ 1 โมเลกุลของ acetyl-CoA ที่ถูกออกซิไดส์ นี่คือเป้าหมายท้ายสุของ acetyl-CoA ในทุก ๆ กระบวนการเบตาออกซิเดชัน ยกเว้นเพียงกรณีที่เกิดภายในตับ

ในตับนั้น oxaloacetate ทั้งหมดหรือบางส่วนสามารถเบนออกไปเข้าสู่วิถี gluconeogenic pathway ในขณะอดอาหาร (fasting), ขาดอาหาร (starvation), การทานอาหารที่ประกอบด้วยคาร์โบไฮเดรตต่ำ (low carbohydrate diet), การออกกำลังกายอย่างหนักหน่วงเป็นเวลานาน (prolonged strenuous exercise) และในผู้ป่วยเบาหวานชนิดที่ 1 ที่ขาดการควบคุม (uncontrolled type 1 diabetes mellitus) ในกรณีเหล่านี้ oxaloacetate จะถูกไฮโดรจีเนต (hydrogenated) เป็น malate ที่ถัดมาจะถูกกำจัดออกจากไมโทคอนเดรียของเซลล์ตับเพื่อถูกเปลี่ยนไปเป็นกลูโคส ในไซโทพลาซึมของเซลล์ตับและจะถูกปล่อยออกไปในกระแสเลือด

หน้าที่อื่น ๆ

ความผิดปกติ

ความผิดปกติของกระบวนการเมแทบอลิซึมของกรดไขมันสามารถอธิบายในรูปแบบเช่น hypertriglyceridemia (ไตตรกลีเซอไรด์ในเลือดสูง) หรือ hyperlipidemia

ชนิดของโรคที่เกิดจากกระบวนการเมแทบอลิซึมนั้นมักจัดอยู่ในกลุ่มความผิดปกติแรกเกิดของเมแทบอลิซึมของลิพิด โรคเหล่านี้อาจเรียกว่าเป็น fatty oxidation disorders หรือเป็น lipid storage disorders และจัดเป็นชนิดหนึ่งของกลุ่มความผิดปกติแรกเกิดของเมแทบอลิซึม

อ้างอิง

1. Stryer, Lubert (1995). "Fatty acid metabolism.". In: Biochemistry (Fourth ed.). New York: W.H. Freeman and Company. pp. 603–628. ISBN 0 7167 2009 4.
2. Oxidation of fatty acids
3. Mobilization and cellular uptake of stored fats (triacylglycerols) (with animation)
4. Stahl, Andreas (1 February 2004). "A current review of fatty acid transport proteins (SLC27)". Pflügers Archiv: European Journal of Physiology. 447 (5): 722–727. doi:10.1007/s00424-003-1106-z. PMID 12856180.
5. Anderson, Courtney M.; Stahl, Andreas (April 2013). "SLC27 fatty acid transport proteins". Molecular Aspects of Medicine. 34 (2–3): 516–528. doi:10.1016/j.mam.2012.07.010. PMC 3602789. PMID 23506886.
6. Ebert, D.; Haller, RG.; Walton, ME. (Jul 2003). "Energy contribution of octanoate to intact rat brain metabolism measured by ¹³C nuclear magnetic resonance spectroscopy". J Neurosci. 23 (13): 5928–35. doi:10.1523/JNEUROSCI.23-13-05928.2003. PMC 6741266. PMID 12843297.
7. Marin-Valencia, I.; Good, LB.; Ma, Q.; Malloy, CR.; Pascual, JM. (Feb 2013). "Heptanoate as a neural fuel: energetic and neurotransmitter precursors in normal and glucose transporter I-deficient (G1D) brain". J Cereb Blood Flow Metab. 33 (2): 175–82. doi:10.1038/jcbfm.2012.151. PMC 3564188. PMID 23072752.
8. Stryer, Lubert (1995). "Fatty acid metabolism.". In: Biochemistry (Fourth ed.). New York: W.H. Freeman and Company. pp. 770–771. ISBN 0 7167 2009 4.
9. Stryer, Lubert (1995). Biochemistry (Fourth ed.). New York: W.H. Freeman and Company. pp. 510–515, 581–613, 775–778. ISBN 0 7167 2009 4.
10. Activation and transportation of fatty acids to the mitochondria via the carnitine shuttle (with animation)
11. Vivo, Darryl C.; Bohan, Timothy P.; Coulter, David L.; Dreifuss, Fritz E.; Greenwood, Robert S.; Nordli, Douglas R.; Shields, W. Donald; Stafstrom, Carl E.; Tein, Ingrid (1998). "l-Carnitine Supplementation in Childhood Epilepsy: Current Perspectives". Epilepsia. 39 (11): 1216–1225. doi:10.1111/j.1528-1157.1998.tb01315.x. ISSN 0013-9580.