أكسدة الأحماض الدهنية: العملية والميزات والصيغة

2024 مؤلف: Angel Austin | [email protected]. آخر تعديل: 2023-12-17 05:16

الشرط الرئيسي لحياة أي كائن حي هو الإمداد المستمر بالطاقة ، والتي يتم إنفاقها على العمليات الخلوية المختلفة. في الوقت نفسه ، لا يمكن استخدام جزء معين من مركبات المغذيات على الفور ، ولكن يمكن تحويلها إلى احتياطيات. يتم تنفيذ دور هذا الخزان بواسطة الدهون (الدهون) ، التي تتكون من الجلسرين والأحماض الدهنية. هذا الأخير تستخدمه الخلية كوقود. في هذه الحالة ، تتأكسد الأحماض الدهنية إلى CO₂و H₂O.

أساسيات الأحماض الدهنية

الأحماض الدهنية عبارة عن سلاسل كربونية بأطوال مختلفة (من 4 إلى 36 ذرة) ، والتي يتم تصنيفها كيميائيًا على أنها أحماض كربوكسيلية. يمكن أن تكون هذه السلاسل متفرعة أو غير متفرعة وتحتوي على أعداد مختلفة من الروابط المزدوجة. إذا كان الأخير غائبًا تمامًا ، فإن الأحماض الدهنية تسمى مشبعة (نموذجي للعديد من الدهون من أصل حيواني) ، وبخلاف ذلك -غير مشبع. وفقًا لترتيب الروابط المزدوجة ، يتم تقسيم الأحماض الدهنية إلى أحادية غير مشبعة ومتعددة غير مشبعة.

تحتوي معظم السلاسل على عدد زوجي من ذرات الكربون ، ويرجع ذلك إلى خصوصية تركيبها. ومع ذلك ، هناك اتصالات مع عدد فردي من الروابط. أكسدة هذين النوعين من المركبات مختلفة قليلاً.

الخصائص العامة

عملية أكسدة الأحماض الدهنية معقدة ومتعددة المراحل. يبدأ باختراقهم للخلية وينتهي في السلسلة التنفسية. في الوقت نفسه ، تكرر المراحل النهائية فعليًا هدم الكربوهيدرات (دورة كريبس ، تحويل طاقة التدرج الغشائي إلى رابطة كبيرة). المنتجات النهائية للعملية هي ATP و CO₂والماء.

يتم إجراء أكسدة الأحماض الدهنية في خلية حقيقية النواة في الميتوكوندريا (أكثر مواقع التوطين تميزًا) أو البيروكسيسومات أو الشبكة الإندوبلازمية.

أصناف (أنواع) الأكسدة

هناك ثلاثة أنواع من أكسدة الأحماض الدهنية: α و β و ω. في أغلب الأحيان ، تستمر هذه العملية بواسطة آلية β ويتم توطينها في الميتوكوندريا. مسار أوميغا هو بديل ثانوي لآلية ويتم تنفيذه في الشبكة الإندوبلازمية ، بينما آلية ألفا مميزة لنوع واحد فقط من الأحماض الدهنية (نباتي).

الكيمياء الحيوية لأكسدة الأحماض الدهنية في الميتوكوندريا

للراحة ، تنقسم عملية تقويض الميتوكوندريا تقليديًا إلى 3 مراحل:

• التنشيط والنقل إلى الميتوكوندريا ؛
• أكسدة
• أكسدة أنزيم الأسيتيل المتشكل A خلال دورة كريبس وسلسلة النقل الكهربائي.

التنشيط عملية تحضيرية تحول الأحماض الدهنية إلى شكل متاح للتحولات الكيميائية الحيوية ، لأن هذه الجزيئات نفسها خاملة. بالإضافة إلى ذلك ، بدون تنشيط ، لا يمكنهم اختراق أغشية الميتوكوندريا. تحدث هذه المرحلة عند الغشاء الخارجي للميتوكوندريا.

في الواقع ، تعتبر الأكسدة خطوة أساسية في هذه العملية. يتضمن أربع مراحل ، يتم بعدها تحويل الأحماض الدهنية إلى جزيئات Acetyl-CoA. يتم تكوين نفس المنتج أثناء استخدام الكربوهيدرات ، بحيث تكون الخطوات اللاحقة مماثلة للخطوات الأخيرة لتحلل السكر الهوائي. يحدث تكوين ATP في سلسلة نقل الإلكترون ، حيث يتم استخدام طاقة الجهد الكهروكيميائي لتكوين رابطة كبيرة.

في عملية أكسدة الأحماض الدهنية ، بالإضافة إلى Acetyl-CoA ، يتم أيضًا تكوين جزيئات NADH و FADH₂، والتي تدخل أيضًا السلسلة التنفسية كمانحين للإلكترون. نتيجة لذلك ، فإن إجمالي إنتاج الطاقة لتقويض الدهون مرتفع جدًا. لذلك ، على سبيل المثال ، أكسدة حمض البالمتيك بواسطة آلية β تعطي 106 جزيئات ATP.

التنشيط والنقل إلى مصفوفة الميتوكوندريا

الأحماض الدهنية نفسها خاملة ولا يمكن أن تتأكسد. التنشيط يجعلها في شكل متاح للتحولات البيوكيميائية. بالإضافة إلى ذلك ، لا يمكن لهذه الجزيئات أن تدخل الميتوكوندريا دون تغيير.

جوهر التنشيطتحويل حمض دهني إلى أسيل- CoA- ثيوستر ، والذي يخضع لاحقًا للأكسدة. يتم تنفيذ هذه العملية بواسطة إنزيمات خاصة - ثيوكينازات (أسيل- CoA synthetases) متصلة بالغشاء الخارجي للميتوكوندريا. يستمر التفاعل على مرحلتين ، مرتبطة بإنفاق طاقة اثنين من ATP.

ثلاثة مكونات مطلوبة للتفعيل:

• ATF ؛
• HS-CoA ؛
• Mg^{2 +}.

أولاً ، يتفاعل الأحماض الدهنية مع ATP لتكوين أسيلادينات (وسيط). وهذا بدوره يتفاعل مع HS-CoA ، حيث تزيح مجموعة الثيول AMP ، وتشكل رابطة ثيويثير مع مجموعة الكربوكسيل. نتيجة لذلك ، يتم تكوين مادة الأسيل- CoA - مشتق من الأحماض الدهنية ، والتي يتم نقلها إلى الميتوكوندريا.

النقل إلى الميتوكوندريا

تسمى هذه الخطوة التحويلية مع الكارنيتين. يتم نقل أسيل CoA إلى مصفوفة الميتوكوندريا من خلال المسام بمشاركة إنزيمات كارنيتين وأنزيمات خاصة - كارنيتين أسيل ترانسفيرازس.

للنقل عبر الأغشية ، يتم استبدال CoA بالكارنيتين لتكوين أسيل كارنيتين. يتم نقل هذه المادة إلى المصفوفة عن طريق انتشار ناقل الأسيل كارنيتين / كارنيتين الميسر.

داخل الميتوكوندريا ، يحدث تفاعل عكسي ، يتكون من انفصال الشبكية ، والتي تدخل الأغشية مرة أخرى ، واستعادة أسيل CoA (في هذه الحالة ، يتم استخدام الإنزيم المساعد "المحلي" A ، و ليس الشخص الذي تشكلت معه الرابطةفي مرحلة التفعيل)

التفاعلات الرئيسية لأكسدة الأحماض الدهنية بواسطة آلية β

أبسط أنواع استخدام الطاقة للأحماض الدهنية هو أكسدة السلاسل التي لا تحتوي على روابط مزدوجة ، حيث يكون عدد وحدات الكربون متساويًا. الركيزة لهذه العملية ، كما هو مذكور أعلاه ، هي أنزيم أسيل أ.

تتكون عملية أكسدة الأحماض الدهنية من 4 تفاعلات:

1. نزع الهيدروجين هو فصل الهيدروجين من ذرة β-carbon مع تكوين رابطة مزدوجة بين روابط السلسلة الموجودة في الموضعين α و (الذرات الأولى والثانية). نتيجة لذلك ، يتم تكوين enoyl-CoA. إنزيم التفاعل هو acyl-CoA dehydrogenase ، والذي يعمل بالاشتراك مع الإنزيم المساعد FAD (يتم تقليل الأخير إلى FADH2).
2. الترطيب هو إضافة جزيء ماء إلى enoyl-CoA ، مما يؤدي إلى تكوين L-β-hydroxyacyl-CoA. نفذتها إنويل- CoA-hydratase.
3. نزع الهيدروجين - أكسدة ناتج التفاعل السابق بواسطة نازعة الهيدروجين المعتمد على NAD مع تكوين β-ketoacyl-coenzyme A. في هذه الحالة ، يتم تقليل NAD إلى NADH.
4. انشقاق β-ketoacyl-CoA إلى acetyl-CoA و 2-carbon تقصير acyl-CoA. يتم إجراء التفاعل تحت تأثير الثيولاز. الشرط الأساسي هو وجود HS-CoA مجاني.

ثم يبدأ كل شيء من جديد مع أول رد فعل

يتم إجراء التكرار الدوري لجميع المراحل حتى يتم تحويل سلسلة الكربون الكاملة للحمض الدهني إلى جزيئات من الأسيتيل المساعد أ.

تشكيل Acetyl-CoA و ATP على مثال أكسدة palmitoyl-CoA

في نهاية كل دورة ، تتشكل جزيئات acyl-CoA و NADH و FADH2 بكمية واحدة ، وتصبح سلسلة acyl-CoA-thioether أقصر بمقدار ذرتين. عن طريق نقل الإلكترونات إلى سلسلة النقل الكهربائي ، يعطي FADH2 واحدًا ونصف جزيء ATP ، و NADH اثنان. نتيجة لذلك ، يتم الحصول على 4 جزيئات ATP من دورة واحدة ، دون احتساب إنتاجية الطاقة لأسيتيل CoA.

تحتوي سلسلة حمض البالمتيك على 16 ذرة كربون. هذا يعني أنه في مرحلة الأكسدة ، يجب إجراء 7 دورات بتكوين ثمانية أسيتيل CoA ، وأن إنتاج الطاقة من NADH و FADH₂في هذه الحالة سيكون 28 جزيء ATP (4 × 7). تنتقل أكسدة الأسيتيل CoA أيضًا إلى تكوين الطاقة ، والتي يتم تخزينها نتيجة دخول منتجات دورة كريبس إلى سلسلة النقل الكهربائي.

إجمالي الناتج لخطوات الأكسدة ودورة كريبس

نتيجة أكسدة أسيتيل CoA ، يتم الحصول على 10 جزيئات ATP. نظرًا لأن تقويض Palmitoyl-CoA ينتج 8 أسيتيل-CoA ، فإن مردود الطاقة سيكون 80 ATP (10 × 8). إذا أضفت هذا إلى نتيجة أكسدة NADH و FADH₂، تحصل على 108 جزيئات (80 + 28). من هذا المقدار ، يجب طرح 2 ATP ، والتي تذهب لتنشيط الأحماض الدهنية.

المعادلة النهائية لأكسدة حمض البالمتيك ستكون: palmitoyl-CoA + 16 O₂+ 108 Pi + 80 ADP=CoA + 108 ATP + 16 CO2_{+ 16 H}2_O.

حساب إطلاق الطاقة

عادم الطاقةيعتمد على هدم حمض دهني معين على عدد وحدات الكربون في سلسلته. يتم حساب عدد جزيئات ATP بالصيغة:

[4 (n / 2 - 1) + n / 2 × 10] - 2،

حيث 4 هي كمية ATP المتولدة خلال كل دورة بسبب NADH و FADH2 ، (n / 2-1) هو عدد الدورات ، n / 2 × 10 هو ناتج الطاقة من أكسدة الأسيتيل- CoA ، و 2 هي تكلفة التنشيط.

ملامح ردود الفعل

لأكسدة الأحماض الدهنية غير المشبعة بعض الخصائص. وبالتالي ، تكمن صعوبة السلاسل المؤكسدة ذات الروابط المزدوجة في حقيقة أن الأخيرة لا يمكن أن تتعرض لـ enoyl-CoA-hydratase بسبب حقيقة أنها في وضع رابطة الدول المستقلة. يتم التخلص من هذه المشكلة عن طريق إيزوميراز enoyl-CoA ، والذي بسببه تكتسب الرابطة تكوينًا متحولة. نتيجة لذلك ، يصبح الجزيء مطابقًا تمامًا لمنتج المرحلة الأولى من أكسدة بيتا ويمكن أن يخضع للترطيب. المواقع التي تحتوي على روابط مفردة فقط تتأكسد بنفس طريقة تأكسد الأحماض المشبعة.

في بعض الأحيان لا يكفي إيزوميراز إنويل CoA لمواصلة العملية. ينطبق هذا على السلاسل التي يوجد فيها تكوين cis9-cis12 (روابط مزدوجة في ذرات الكربون التاسعة والثانية عشر). هنا ، ليس التكوين فقط هو العائق ، ولكن أيضًا موضع الروابط المزدوجة في السلسلة. يتم تصحيح الأخير عن طريق اختزال إنزيم 2،4-دينويل- CoA.

هدم الأحماض الدهنية الفردية

هذا النوع من الحمض هو نموذجي لمعظم الدهون ذات الأصل الطبيعي (الطبيعي). هذا يخلق بعض التعقيد ، منذ كل دورةيعني تقصير عدد زوجي من الروابط. لهذا السبب ، تستمر الأكسدة الحلقية للأحماض الدهنية الأعلى لهذه المجموعة حتى ظهور مركب مكون من 5 كربون كمنتج ، والذي ينقسم إلى أسيتيل CoA وأنزيم بروبيونيل أ. يدخل كلا المركبين في دورة أخرى من ثلاثة تفاعلات ، ونتيجة لذلك يتم تشكيل succinyl-CoA. هو الذي يدخل دورة كريبس

ميزات الأكسدة في البيروكسيسومات

في البيروكسيسومات ، تحدث أكسدة الأحماض الدهنية عبر آلية بيتا مشابهة للميتوكوندريا ، ولكنها ليست مطابقة لها. ويتكون أيضًا من 4 مراحل ، تتوج بتكوين المنتج على شكل أسيتيل CoA ، لكن له عدة اختلافات رئيسية. وهكذا ، فإن انقسام الهيدروجين في مرحلة نزع الهيدروجين لا يعيد FAD ، ولكنه ينتقل إلى الأكسجين بتكوين بيروكسيد الهيدروجين. هذا الأخير يخضع على الفور للانقسام تحت تأثير الكاتلاز. نتيجة لذلك ، فإن الطاقة التي كان من الممكن استخدامها لتخليق ATP في السلسلة التنفسية تتبدد على شكل حرارة.

الاختلاف الثاني المهم هو أن بعض إنزيمات البيروكسيسوم خاصة ببعض الأحماض الدهنية الأقل وفرة وليست موجودة في مصفوفة الميتوكوندريا.

ميزة بيروكسيسومات خلايا الكبد هي عدم وجود جهاز إنزيمي لدورة كريبس. لذلك ، نتيجة لأكسدة بيتا ، يتم تكوين منتجات قصيرة السلسلة ، والتي يتم نقلها إلى الميتوكوندريا من أجل الأكسدة.