اکسیداسیون اسیدهای چرب: فرآیند، ویژگی ها و فرمول

2024 نویسنده: Angel Austin | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-17 05:24

شرط اصلی زندگی هر موجودی تامین مداوم انرژی است که صرف فرآیندهای مختلف سلولی می شود. در عین حال، بخش خاصی از ترکیبات غذایی را نمی توان بلافاصله استفاده کرد، اما می تواند به ذخایر تبدیل شود. نقش چنین مخزنی توسط چربی ها (لیپیدها)، متشکل از گلیسرول و اسیدهای چرب انجام می شود. دومی توسط سلول به عنوان سوخت استفاده می شود. در این حالت، اسیدهای چرب به CO₂ و H₂O.

اکسید می شوند.

اسیدهای چرب پایه

اسیدهای چرب زنجیره های کربنی با طول های مختلف (از ۴ تا ۳۶ اتم) هستند که از نظر شیمیایی به عنوان اسیدهای کربوکسیلیک طبقه بندی می شوند. این زنجیره ها می توانند منشعب یا بدون انشعاب باشند و دارای تعداد مختلفی از پیوندهای دوگانه باشند. اگر دومی به طور کامل وجود نداشته باشد، اسیدهای چرب اشباع نامیده می شوند (معمولی برای بسیاری از چربی های با منشاء حیوانی)، و در غیر این صورت -غیر اشباع با توجه به آرایش پیوندهای دوگانه، اسیدهای چرب به دو دسته تک غیراشباع و چند غیراشباع تقسیم می شوند.

بیشتر زنجیره ها حاوی تعداد زوج اتم کربن هستند که به دلیل خاص بودن سنتز آنهاست. با این حال، پیوندهایی با تعداد فرد پیوند وجود دارد. اکسیداسیون این دو نوع ترکیب کمی متفاوت است.

ویژگی های کلی

فرآیند اکسیداسیون اسیدهای چرب پیچیده و چند مرحله ای است. با نفوذ آنها به سلول شروع می شود و به زنجیره تنفسی ختم می شود. در همان زمان، مراحل نهایی در واقع کاتابولیسم کربوهیدرات ها را تکرار می کند (چرخه کربس، تبدیل انرژی گرادیان گذرنده به یک پیوند ماکروارژیک). محصولات نهایی این فرآیند عبارتند از ATP، CO₂ و آب.

اکسیداسیون اسیدهای چرب در یک سلول یوکاریوتی در میتوکندری (مشخصه ترین مکان محلی سازی)، پراکسی زوم ها یا شبکه آندوپلاسمی انجام می شود.

انواع (انواع) اکسیداسیون

سه نوع اکسیداسیون اسیدهای چرب وجود دارد: α، β و ω. اغلب، این فرآیند توسط مکانیسم β پیش می رود و در میتوکندری موضعی می شود. مسیر امگا یک جایگزین جزئی برای مکانیسم β است و در شبکه آندوپلاسمی انجام می شود، در حالی که مکانیسم آلفا مشخصه تنها یک نوع اسید چرب (فیتانیک) است.

بیوشیمی اکسیداسیون اسیدهای چرب در میتوکندری

برای راحتی، فرآیند کاتابولیسم میتوکندری به طور معمول به 3 مرحله تقسیم می شود:

فعال سازی و انتقال به میتوکندری؛
اکسیداسیون;
اکسیداسیون استیل کوآنزیم A تشکیل شده از طریق چرخه کربس و زنجیره انتقال الکتریکی.

فعال سازی یک فرآیند آماده سازی است که اسیدهای چرب را به شکلی در دسترس برای تبدیلات بیوشیمیایی تبدیل می کند، زیرا این مولکول ها خود بی اثر هستند. علاوه بر این، بدون فعال شدن، آنها نمی توانند به غشای میتوکندری نفوذ کنند. این مرحله در غشای خارجی میتوکندری اتفاق می افتد.

در واقع، اکسیداسیون یک مرحله کلیدی در فرآیند است. این شامل چهار مرحله است که پس از آن اسید چرب به مولکول های استیل کوآ تبدیل می شود. همین محصول در هنگام استفاده از کربوهیدرات ها تشکیل می شود، به طوری که مراحل بعدی مشابه آخرین مراحل گلیکولیز هوازی است. تشکیل ATP در زنجیره انتقال الکترون اتفاق می‌افتد، جایی که انرژی پتانسیل الکتروشیمیایی برای تشکیل یک پیوند ماکروارژیک استفاده می‌شود.

در فرآیند اکسیداسیون اسیدهای چرب، علاوه بر استیل-کوآ، مولکول های NADH و FADH نیز تشکیل می شوند₂ که به عنوان اهداکننده الکترون نیز وارد زنجیره تنفسی می شوند. در نتیجه، کل انرژی خروجی کاتابولیسم لیپیدی بسیار زیاد است. بنابراین، برای مثال، اکسیداسیون اسید پالمیتیک توسط مکانیسم β، 106 مولکول ATP به دست می‌دهد.

فعال سازی و انتقال به ماتریس میتوکندری

اسیدهای چرب خود بی اثر هستند و نمی توانند اکسید شوند. فعال سازی آنها را به شکلی در دسترس برای تبدیلات بیوشیمیایی می آورد. علاوه بر این، این مولکول ها نمی توانند بدون تغییر وارد میتوکندری شوند.

ماهیت فعالسازی این استتبدیل یک اسید چرب به Acyl-CoA-thioester آن، که متعاقباً تحت اکسیداسیون قرار می گیرد. این فرآیند توسط آنزیم های ویژه - تیوکینازها (Acyl-CoA synthetases) متصل به غشای خارجی میتوکندری انجام می شود. واکنش در 2 مرحله انجام می شود که با صرف انرژی دو ATP مرتبط است.

سه مؤلفه برای فعال‌سازی لازم است:

ATF;
HS-CoA;
Mg²⁺.

ابتدا، اسید چرب با ATP واکنش داده و آسیلادنیلات (یک واسطه) را تشکیل می دهد. این به نوبه خود با HS-CoA واکنش می دهد، گروه تیول که جایگزین AMP می شود و با گروه کربوکسیل پیوند تیو اتر تشکیل می دهد. در نتیجه، ماده acyl-CoA تشکیل می شود - یک مشتق اسید چرب که به میتوکندری منتقل می شود.

حمل و نقل به میتوکندری

این مرحله ترانس استریفیکاسیون با کارنیتین نامیده می شود. انتقال acyl-CoA به ماتریکس میتوکندری از طریق منافذ با مشارکت کارنیتین و آنزیم های ویژه - کارنیتین آسیل ترانسفرازها انجام می شود.

برای انتقال از طریق غشاها، CoA با کارنیتین جایگزین می شود تا آسیل-کارنیتین تشکیل شود. این ماده با انتشار تسهیل شده توسط انتقال دهنده آسیل کارنیتین/کارنیتین به ماتریکس منتقل می شود.

در داخل میتوکندری، یک واکنش معکوس رخ می دهد که شامل جدا شدن شبکیه، که دوباره وارد غشاها می شود، و بازیابی آسیل-CoA (در این مورد، از کوآنزیم "محلی" A استفاده می شود، و نه آن چیزی که پیوند با آن شکل گرفتدر مرحله فعال سازی).

واکنش‌های اصلی اکسیداسیون اسیدهای چرب توسط مکانیسم بتا

ساده ترین نوع استفاده از انرژی از اسیدهای چرب، اکسیداسیون بتا زنجیره هایی است که پیوند دوگانه ندارند، که در آن تعداد واحدهای کربن زوج است. بستر این فرآیند، همانطور که در بالا ذکر شد، آسیل کوآنزیم A است.

فرآیند بتا اکسیداسیون اسیدهای چرب از 4 واکنش تشکیل شده است:

هیدروژن زدایی عبارت است از جدا شدن هیدروژن از یک اتم β-کربن با تشکیل یک پیوند دوگانه بین حلقه های زنجیره ای واقع در موقعیت های α و β (اتم های اول و دوم). در نتیجه enoyl-CoA تشکیل می شود. آنزیم واکنش آسیل کوآ دهیدروژناز است که در ترکیب با کوآنزیم FAD عمل می کند (این دومی به FADH2 کاهش می یابد).
هیدراتاسیون افزودن یک مولکول آب به انویل-CoA است که منجر به تشکیل L-β-hydroxyacyl-CoA می شود. توسط enoyl-CoA-hydratase انجام می شود.
دهیدروژناسیون - اکسیداسیون محصول واکنش قبلی توسط دهیدروژناز وابسته به NAD با تشکیل β-کتواسیل کوآنزیم A. در این حالت NAD به NADH کاهش می یابد.
برق β-کتوآسیل-CoA به استیل-CoA و یک آسیل-CoA کوتاه شده با 2 کربن. واکنش تحت اثر تیولاز انجام می شود. یک پیش نیاز وجود HS-CoA رایگان است.

سپس همه چیز با اولین واکنش دوباره شروع می شود.

تکرار چرخه‌ای تمام مراحل تا زمانی انجام می‌شود که کل زنجیره کربنی اسید چرب به مولکول‌های استیل کوآنزیم A تبدیل شود.

تشکیل استیل-CoA و ATP به عنوان مثال اکسیداسیون پالمیتویل-CoA

در پایان هر چرخه، مولکول‌های acyl-CoA، NADH و FADH2 در یک مقدار تشکیل می‌شوند و زنجیره آسیل-CoA-تیو اتر دو اتم کوتاه‌تر می‌شود. با انتقال الکترون ها به زنجیره انتقال الکتریکی، FADH2 یک و نیم مولکول ATP و NADH دو مولکول می دهد. در نتیجه، 4 مولکول ATP از یک چرخه به دست می آید، بدون احتساب بازده انرژی استیل-CoA.

زنجیره اسید پالمیتیک دارای 16 اتم کربن است. این بدان معناست که در مرحله اکسیداسیون باید 7 سیکل با تشکیل 8 استیل کوآ انجام شود و بازده انرژی از NADH و FADH₂ در این حالت 28 مولکول ATP خواهد بود. (4×7). اکسیداسیون استیل کوآ نیز منجر به تشکیل انرژی می شود که در نتیجه ورود محصولات چرخه کربس به زنجیره حمل و نقل الکتریکی ذخیره می شود.

بازده کل مراحل اکسیداسیون و چرخه کربس

در نتیجه اکسیداسیون استیل کوآ، 10 مولکول ATP به دست می آید. از آنجایی که کاتابولیسم پالمیتول کوآ 8 استیل کوآ به دست می دهد، بازده انرژی 80 ATP (8×10) خواهد بود. اگر این را به نتیجه اکسیداسیون NADH و FADH₂ اضافه کنید، 108 مولکول (80+28) به دست می آید. از این مقدار باید 2 ATP کم کرد که باعث فعال شدن اسید چرب شد.

معادله نهایی برای اکسیداسیون اسید پالمیتیک خواهد بود: پالمیتویل-CoA + 16 O₂ + 108 Pi + 80 ADP=CoA + 108 ATP + 16 CO2 _{+ 16 H}2_O.

محاسبه آزادسازی انرژی

اگزوز انرژیکاتابولیسم یک اسید چرب خاص به تعداد واحدهای کربن در زنجیره آن بستگی دارد. تعداد مولکول های ATP با فرمول محاسبه می شود:

[4(n/2 - 1) + n/2×10] - 2،

که در آن 4 مقدار ATP تولید شده در طول هر چرخه به دلیل NADH و FADH2 است، (n/2 - 1) تعداد چرخه ها، n/2×10 بازده انرژی از اکسیداسیون استیل است. CoA، و 2 هزینه فعال سازی است.

ویژگی های واکنش

اکسیداسیون اسیدهای چرب غیراشباع ویژگی‌های خاصی دارد. بنابراین، دشواری اکسید کردن زنجیره‌ها با پیوندهای دوگانه در این واقعیت نهفته است که زنجیره‌های دوم به دلیل اینکه در موقعیت cis قرار دارند، نمی‌توانند در معرض enoyl-CoA-هیدراتاز قرار گیرند. این مشکل توسط ایزومراز enoyl-CoA برطرف می شود، به همین دلیل پیوند یک پیکربندی ترانس به دست می آورد. در نتیجه، مولکول کاملاً با محصول مرحله اول بتا اکسیداسیون یکسان می شود و می تواند هیدراته شود. محل هایی که فقط حاوی پیوندهای منفرد هستند به همان روشی که اسیدهای اشباع شده اکسید می شوند.

گاهی اوقات enoyl-CoA-ایزومراز برای ادامه روند کافی نیست. این امر در مورد زنجیره هایی که در آنها پیکربندی cis9-cis12 وجود دارد (پیوندهای دوگانه در اتم های کربن 9 و 12) صدق می کند. در اینجا، نه تنها پیکربندی مانع است، بلکه موقعیت پیوندهای دوگانه در زنجیره نیز مانع است. دومی توسط آنزیم 2,4-dienoyl-CoA ردوکتاز تصحیح می شود.

کاتابولیسم اسیدهای چرب عجیب و غریب

این نوع اسید برای بیشتر لیپیدهای با منشاء طبیعی (طبیعی) معمول است. این پیچیدگی خاصی را ایجاد می کند، زیرا هر چرخهبه معنای کوتاه شدن تعداد زوج پیوندها است. به همین دلیل، اکسیداسیون حلقوی اسیدهای چرب بالاتر این گروه تا ظهور یک ترکیب 5 کربنی به عنوان یک محصول ادامه می‌یابد که به استیل-CoA و پروپیونیل-کوآنزیم A تبدیل می‌شود. هر دو ترکیب وارد چرخه دیگری از سه واکنش می‌شوند. ، در نتیجه سوکسینیل-CoA تشکیل می شود. این اوست که وارد چرخه کربس می شود.

ویژگی های اکسیداسیون در پراکسی زوم ها

در پراکسی زوم ها، اکسیداسیون اسیدهای چرب از طریق مکانیسم بتا اتفاق می افتد که شبیه به میتوکندری است، اما یکسان نیست. همچنین شامل 4 مرحله است که با تشکیل محصول به شکل استیل کوآ به اوج خود می رسد، اما چندین تفاوت کلیدی دارد. بنابراین، تجزیه هیدروژن در مرحله هیدروژن زدایی FAD را بازیابی نمی کند، اما با تشکیل پراکسید هیدروژن به اکسیژن منتقل می شود. دومی بلافاصله تحت تأثیر کاتالاز قرار می گیرد. در نتیجه، انرژی که می‌توانست برای سنتز ATP در زنجیره تنفسی استفاده شود، به صورت گرما تلف می‌شود.

دومین تفاوت مهم این است که برخی از آنزیم های پراکسی زوم مخصوص اسیدهای چرب کم فراوان هستند و در ماتریکس میتوکندری وجود ندارند.

ویژگی پراکسی زوم های سلول های کبدی این است که دستگاه آنزیمی چرخه کربس وجود ندارد. بنابراین، در نتیجه اکسیداسیون بتا، محصولات با زنجیره کوتاه تشکیل می شود که برای اکسیداسیون به میتوکندری منتقل می شود.