Ճարպաթթվի օքսիդացում. գործընթաց, առանձնահատկություններ և բանաձև

2024 Հեղինակ: Angel Austin | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2023-12-17 05:30

Ցանկացած օրգանիզմի կյանքի հիմնական պայմանը էներգիայի անընդհատ մատակարարումն է, որը ծախսվում է բջջային տարբեր պրոցեսների վրա։ Ընդ որում, սննդանյութերի միացությունների որոշակի մասը չի կարող անմիջապես օգտագործվել, բայց կարող է վերածվել պաշարների։ Նման ջրամբարի դերը կատարում են ճարպերը (լիպիդները), որոնք բաղկացած են գլիցերինից և ճարպաթթուներից։ Վերջիններս բջիջն օգտագործում է որպես վառելիք։ Այս դեպքում ճարպաթթուները օքսիդացվում են CO₂ և H₂O.

ճարպաթթուների հիմունքներ

Ճարպաթթուները տարբեր երկարությունների ածխածնային շղթաներ են (4-ից մինչև 36 ատոմ), որոնք քիմիապես դասակարգվում են որպես կարբոքսիլաթթուներ: Այս շղթաները կարող են լինել կամ ճյուղավորված կամ չճյուղավորված և պարունակում են տարբեր թվով կրկնակի կապեր: Եթե վերջիններս իսպառ բացակայում են, ճարպաթթուները կոչվում են հագեցած (բնորոշ կենդանական ծագման շատ լիպիդների համար), իսկ հակառակ դեպքում՝չհագեցած. Ըստ կրկնակի կապերի դասավորության՝ ճարպաթթուները բաժանվում են միանհագեցած և պոլիչհագեցած։

Շղթաների մեծ մասը պարունակում է զույգ թվով ածխածնի ատոմներ, ինչը պայմանավորված է դրանց սինթեզի յուրահատկությամբ։ Այնուամենայնիվ, կան կապեր կենտ թվով հղումներով: Այս երկու տեսակի միացությունների օքսիդացումը մի փոքր տարբերվում է:

Ընդհանուր բնութագրեր

Ճարպաթթուների օքսիդացման գործընթացը բարդ է և բազմաստիճան։ Այն սկսվում է նրանց ներթափանցմամբ բջիջ և ավարտվում շնչառական շղթայով։ Միևնույն ժամանակ, վերջնական փուլերը իրականում կրկնում են ածխաջրերի կատաբոլիզմը (Կրեբսի ցիկլը, տրանսմեմբրանային գրադիենտի էներգիայի վերածումը մակրոէերգիկ կապի): Գործընթացի վերջնական արտադրանքն են՝ ATP, CO₂ և ջուր:

Էուկարիոտ բջջում ճարպաթթուների օքսիդացումն իրականացվում է միտոքոնդրիում (տեղայնացման ամենաբնորոշ տեղամաս), պերօքսիսոմներում կամ էնդոպլազմիկ ցանցում:

Օքսիդացման տարատեսակներ (տեսակներ)

Գոյություն ունեն ճարպաթթուների օքսիդացման երեք տեսակ՝ α, β և ω: Ամենից հաճախ այս պրոցեսն ընթանում է β-մեխանիզմով և տեղայնացվում է միտոքոնդրիայում։ Օմեգա ճանապարհը β-մեխանիզմի աննշան այլընտրանքն է և իրականացվում է էնդոպլազմիկ ցանցում, մինչդեռ ալֆա մեխանիզմը բնորոշ է միայն մեկ տեսակի ճարպաթթուներին (ֆիտանիկ):

:

Ճարպաթթուների օքսիդացման կենսաքիմիա միտոքոնդրիում

Հարմարության համար միտոքոնդրիումային կատաբոլիզմի գործընթացը պայմանականորեն բաժանվում է 3 փուլի՝

• ակտիվացում և տեղափոխում դեպի միտոքոնդրիա;
• օքսիդացում;
• ձևավորված ացետիլ-կոէնզիմ A-ի օքսիդացում Կրեբսի ցիկլի և էլեկտրական տրանսպորտային շղթայի միջոցով:

Ակտիվացումը նախապատրաստական գործընթաց է, որը ճարպաթթուները վերածում է կենսաքիմիական փոխակերպումների համար հասանելի ձևի, քանի որ այդ մոլեկուլներն իրենք իներտ են: Բացի այդ, առանց ակտիվացման, նրանք չեն կարող ներթափանցել միտոքոնդրիալ մեմբրաններ: Այս փուլը տեղի է ունենում միտոքոնդրիայի արտաքին թաղանթում:

Իրականում, օքսիդացումը գործընթացի առանցքային քայլն է: Այն ներառում է չորս փուլ, որից հետո ճարպաթթուն վերածվում է Acetyl-CoA մոլեկուլների։ Նույն արտադրանքը ձևավորվում է ածխաջրերի օգտագործման ժամանակ, այնպես որ հետագա քայլերը նման են աերոբ գլիկոլիզի վերջին փուլերին: ATP-ի ձևավորումը տեղի է ունենում էլեկտրոնների փոխադրման շղթայում, որտեղ էլեկտրաքիմիական ներուժի էներգիան օգտագործվում է մակրոէերգիկ կապ ձևավորելու համար:

Ճարպաթթվի օքսիդացման գործընթացում, բացի Acetyl-CoA-ից, ձևավորվում են նաև NADH և FADH մոլեկուլներ₂, որոնք նույնպես մտնում են շնչառական շղթա որպես էլեկտրոնների դոնորներ։ Արդյունքում լիպիդային կատաբոլիզմի ընդհանուր էներգիայի արտադրությունը բավականին բարձր է։ Այսպիսով, օրինակ, պալմիտիկ թթվի օքսիդացումը β-մեխանիզմով տալիս է 106 ATP մոլեկուլ:

Ակտիվացում և տեղափոխում միտոքոնդրիալ մատրիցա

Ճարպաթթուներն իրենք իներտ են և չեն կարող օքսիդացվել: Ակտիվացումը դրանք բերում է կենսաքիմիական փոխակերպումների համար հասանելի ձևի: Բացի այդ, այս մոլեկուլները չեն կարող անփոփոխ մտնել միտոքոնդրիա։

Ակտիվացման էությունն այն էճարպաթթվի փոխակերպումն իր Acyl-CoA-thioester-ի, որը հետագայում ենթարկվում է օքսիդացման: Այս պրոցեսն իրականացվում է հատուկ ֆերմենտների՝ թիոկինազների (Acyl-CoA սինթետազների) միջոցով, որոնք կցված են միտոքոնդրիայի արտաքին թաղանթին։ Ռեակցիան ընթանում է 2 փուլով՝ կապված երկու ATP-ի էներգիայի ծախսման հետ։

Ակտիվացման համար անհրաժեշտ է երեք բաղադրիչ.

• ATF;
• HS-CoA;
• Mg²⁺.

Նախ, ճարպաթթուն փոխազդում է ATP-ի հետ՝ ձևավորելով ացիլադենիլատ (միջանկյալ նյութ): Այն, իր հերթին, արձագանքում է HS-CoA-ի հետ, որի թիոլ խումբը տեղաշարժում է AMP-ն՝ ձևավորելով թիոեթերային կապ կարբոքսիլ խմբի հետ: Արդյունքում առաջանում է acyl-CoA նյութը՝ ճարպաթթվի ածանցյալ, որը տեղափոխվում է միտոքոնդրիա։

Տրանսպորտ դեպի միտոքոնդրիա

Այս քայլը կոչվում է տրանսեստերիֆիկացում կարնիտինով: Ակիլ-CoA-ի տեղափոխումը միտոքոնդրիալ մատրիցին իրականացվում է ծակոտիներով՝ կարնիտինի և հատուկ ֆերմենտների՝ կարնիտինային ացիլտրանսֆերազների մասնակցությամբ։

Մեմբրանի միջով տեղափոխելու համար CoA-ն փոխարինվում է կարնիտինով և ձևավորվում է ացիլ-կարնիտին: Այս նյութը տեղափոխվում է մատրիցա՝ ացիլ-կարնիտին/կարնիտին փոխադրողով հեշտացված դիֆուզիայի միջոցով:

Միտոքոնդրիաների ներսում տեղի է ունենում հակադարձ ռեակցիա, որը բաղկացած է ցանցաթաղանթի անջատումից, որը կրկին մտնում է թաղանթներ և վերականգնում է ացիլ-CoA-ն (այս դեպքում օգտագործվում է «տեղական» կոենզիմ A, և ոչ այն, ում հետ կապը ստեղծվել էակտիվացման փուլում):

Ճարպաթթվի օքսիդացման հիմնական ռեակցիաները β-մեխանիզմով

Ճարպաթթուների էներգիայի օգտագործման ամենապարզ տեսակը կրկնակի կապ չունեցող շղթաների β-օքսիդացումն է, որոնցում ածխածնի միավորների թիվը զույգ է: Այս գործընթացի սուբստրատը, ինչպես նշվեց վերևում, ացիլ կոֆերմենտ Ա-ն է։

Ճարպաթթուների β-օքսիդացման գործընթացը բաղկացած է 4 ռեակցիաներից.

1. Ջրազրկումը β-ածխածնի ատոմից ջրածնի պառակտումն է՝ α և β դիրքերում գտնվող շղթայական կապերի միջև կրկնակի կապի ձևավորումով (առաջին և երկրորդ ատոմներ): Արդյունքում առաջանում է էնոյլ-CoA։ Ռեակցիայի ֆերմենտը ացիլ-CoA դեհիդրոգենազն է, որը գործում է FAD կոֆերմենտի հետ համատեղ (վերջինս վերածվում է FADH2):
2. Հիդրացիան էնոյլ-CoA-ին ջրի մոլեկուլի ավելացումն է, որի արդյունքում առաջանում է L-β-հիդրօքսիացիլ-CoA: Իրականացվում է էնոյլ-CoA-հիդրատազով։
3. Ջրազերծում - նախորդ ռեակցիայի արտադրանքի օքսիդացում NAD-կախյալ դեհիդրոգենազով β-ketoacyl-coenzyme A-ի առաջացմամբ: Այս դեպքում NAD-ը վերածվում է NADH-ի:
4. β-ketoacyl-CoA-ի տրոհումը ացետիլ-CoA-ի և 2-ածխածնային կրճատված ացիլ-CoA-ի: Ռեակցիան իրականացվում է թիոլազի ազդեցության ներքո։ Նախապայմանն անվճար HS-CoA-ի առկայությունն է։

Այնուհետև ամեն ինչ նորից սկսվում է առաջին արձագանքից։

Բոլոր փուլերի ցիկլային կրկնությունն իրականացվում է այնքան ժամանակ, մինչև ճարպաթթվի ամբողջ ածխածնային շղթան չվերածվի ացետիլ-կոէնզիմ A-ի մոլեկուլների:

Ացետիլ-CoA-ի և ATP-ի ձևավորումը պալմիտոիլ-CoA օքսիդացման օրինակով

Յուրաքանչյուր ցիկլի վերջում ացիլ-CoA, NADH և FADH2 մոլեկուլները ձևավորվում են մեկ քանակով, և ացիլ-CoA-թիոեթեր շղթան կարճանում է երկու ատոմով: Էլեկտրոնները փոխանցելով էլեկտրատրանսպորտի շղթային՝ FADH2-ը տալիս է մեկուկես ATP մոլեկուլ, իսկ NADH-ը՝ երկու։ Արդյունքում մեկ ցիկլից ստացվում է 4 ATP մոլեկուլ՝ չհաշված ացետիլ-CoA-ի էներգիայի ստացումը։

Պալմիթաթթվի շղթան ունի 16 ածխածնի ատոմ: Սա նշանակում է, որ օքսիդացման փուլում պետք է իրականացվի 7 ցիկլ՝ ութ ացետիլ-CoA-ի ձևավորմամբ, իսկ NADH-ից և FADH-ից ₂ այս դեպքում կկազմի 28 ATP մոլեկուլ: (4×7). Ացետիլ-CoA-ի օքսիդացումն ուղղվում է նաև էներգիայի ձևավորմանը, որը կուտակվում է Կրեբսի ցիկլի արտադրանքի էլեկտրական տրանսպորտային շղթա մտնելու արդյունքում։

Օքսիդացման աստիճանների և Կրեբսի ցիկլի ընդհանուր եկամտաբերությունը

Ացետիլ-CoA-ի օքսիդացման արդյունքում ստացվում է 10 ATP մոլեկուլ։ Քանի որ պալմիտոիլ-CoA-ի կատաբոլիզմից ստացվում է 8 ացետիլ-CoA, էներգիայի ստացումը կկազմի 80 ATP (10×8): Եթե սա ավելացնեք NADH-ի և FADH-ի օքսիդացման արդյունքին₂, ապա կստանաք 108 մոլեկուլ (80+28): Այս քանակից պետք է հանել 2 ATP, որն ակտիվացրել է ճարպաթթուն։

Պալմիթաթթվի օքսիդացման վերջնական հավասարումը կլինի՝ պալմիտոիլ-CoA + 16 O₂ + 108 Pi + 80 ADP=CoA + 108 ATP + 16 CO2 _{+ 16 H}2_O.

Էներգիայի արտանետման հաշվարկ

Էներգիայի արտանետումՈրոշակի ճարպաթթվի կատաբոլիզմը կախված է նրա շղթայում ածխածնի միավորների քանակից: ATP մոլեկուլների թիվը հաշվարկվում է բանաձևով՝

[4(n/2 - 1) + n/2×10] - 2, որտեղ 4-ը NADH-ի և FADH2-ի պատճառով յուրաքանչյուր ցիկլի ընթացքում առաջացած ATP-ի քանակն է, (n/2 - 1) ցիկլերի թիվն է, n/2×10-ը՝ ացետիլ-ի օքսիդացումից ստացվող էներգիայի ստացումը: CoA, իսկ 2-ը ակտիվացման արժեքն է:

Ռեակցիայի առանձնահատկությունները

Չհագեցած ճարպաթթուների օքսիդացումն ունի որոշ առանձնահատկություններ. Այսպիսով, կրկնակի կապերով շղթաների օքսիդացման դժվարությունը կայանում է նրանում, որ վերջիններս չեն կարող ենթարկվել էնոյլ-ԿոԱ-հիդրատազի՝ ցիս դիրքում գտնվելու պատճառով։ Այս խնդիրը վերացնում է էնոյլ-CoA իզոմերազը, որի շնորհիվ կապը ստանում է տրանս կոնֆիգուրացիա։ Արդյունքում, մոլեկուլը դառնում է լիովին նույնական բետա-օքսիդացման առաջին փուլի արտադրանքի հետ և կարող է ենթարկվել խոնավացման: Միայն առանձին կապեր պարունակող տեղամասերը օքսիդանում են այնպես, ինչպես հագեցած թթուները։

Երբեմն էնոյլ-CoA-իզոմերազը բավարար չէ գործընթացը շարունակելու համար: Սա վերաբերում է շղթաներին, որոնցում առկա է cis9-cis12 կոնֆիգուրացիան (կրկնակի կապեր 9-րդ և 12-րդ ածխածնի ատոմներում): Այստեղ ոչ միայն կոնֆիգուրացիան է խանգարում, այլ նաև շղթայում կրկնակի կապերի դիրքը: Վերջինս ուղղվում է 2,4-դիենոյլ-CoA ռեդուկտազ ֆերմենտի միջոցով։

Կենտ ճարպաթթուների կատաբոլիզմ

Թթվի այս տեսակը բնորոշ է բնական (բնական) ծագման լիպիդների մեծամասնությանը: Սա որոշակի բարդություն է ստեղծում, քանի որ յուրաքանչյուր ցիկլենթադրում է կրճատում զույգ թվով հղումներով։ Այդ իսկ պատճառով այս խմբի բարձր ճարպաթթուների ցիկլային օքսիդացումը շարունակվում է մինչև 5-ածխածնային միացության հայտնվելը որպես արտադրանք, որը տրոհվում է ացետիլ-CoA-ի և պրոպիոնիլ-կոէնզիմի A-ի: Երկու միացությունները մտնում են երեք ռեակցիաների մեկ այլ ցիկլ:, որի արդյունքում առաջանում է սուկցինիլ-CoA ։ Հենց նա է մտնում Կրեբսի ցիկլը։

Օքսիդացման առանձնահատկությունները պերօքսիսոմներում

Պերօքսիսոմներում ճարպաթթուների օքսիդացումը տեղի է ունենում բետա մեխանիզմի միջոցով, որը նման է, բայց ոչ նույնական, միտոքոնդրիային: Այն նաև բաղկացած է 4 փուլից, որոնք ավարտվում են ացետիլ-CoA-ի տեսքով արտադրանքի ձևավորմամբ, սակայն այն ունի մի քանի հիմնական տարբերություններ: Այսպիսով, ջրածնի պառակտումը ջրազրկման փուլում չի վերականգնում FAD, այլ անցնում է թթվածին ջրածնի պերօքսիդի ձևավորմամբ: Վերջինս կատալազի ազդեցությամբ անմիջապես ենթարկվում է ճեղքվածքի։ Արդյունքում, էներգիան, որը կարող էր օգտագործվել շնչառական շղթայում ATP սինթեզելու համար, ցրվում է որպես ջերմություն:

Երկրորդ կարևոր տարբերությունն այն է, որ որոշ պերօքսիզոմային ֆերմենտներ հատուկ են որոշ քիչ առատ ճարպաթթուների համար և առկա չեն միտոքոնդրիալ մատրիցում:

Լյարդի բջիջների պերօքսիսոմների առանձնահատկությունն այն է, որ չկա Կրեբսի ցիկլի ֆերմենտային ապարատ: Ուստի բետա-օքսիդացման արդյունքում առաջանում են կարճ շղթայական արգասիքներ, որոնք օքսիդացման համար տեղափոխվում են միտոքոնդրիա։