Syarat utama untuk kehidupan mana-mana organisma ialah bekalan tenaga yang berterusan, yang dibelanjakan untuk pelbagai proses selular. Pada masa yang sama, bahagian tertentu sebatian nutrien tidak boleh digunakan serta-merta, tetapi boleh ditukar menjadi rizab. Peranan takungan sedemikian dilakukan oleh lemak (lipid), yang terdiri daripada gliserol dan asid lemak. Yang terakhir digunakan oleh sel sebagai bahan api. Dalam kes ini, asid lemak dioksidakan kepada CO2 dan H2O.
Asas asid lemak
Asid lemak ialah rantai karbon pelbagai panjang (dari 4 hingga 36 atom), yang secara kimia dikelaskan sebagai asid karboksilik. Rantai ini boleh sama ada bercabang atau tidak bercabang dan mengandungi bilangan ikatan berganda yang berbeza. Jika yang kedua tidak hadir sepenuhnya, asid lemak dipanggil tepu (biasa untuk kebanyakan lipid asal haiwan), dan sebaliknya -tak tepu. Mengikut susunan ikatan berganda, asid lemak dibahagikan kepada tak tepu tunggal dan tak tepu poli.
Kebanyakan rantai mengandungi bilangan atom karbon yang genap, yang disebabkan oleh keanehan sintesisnya. Walau bagaimanapun, terdapat sambungan dengan bilangan pautan yang ganjil. Pengoksidaan kedua-dua jenis sebatian ini sedikit berbeza.
Ciri umum
Proses pengoksidaan asid lemak adalah kompleks dan pelbagai peringkat. Ia bermula dengan penembusan mereka ke dalam sel dan berakhir dalam rantai pernafasan. Pada masa yang sama, peringkat akhir sebenarnya mengulangi katabolisme karbohidrat (kitaran Krebs, transformasi tenaga kecerunan transmembran menjadi ikatan makroergik). Hasil akhir proses ialah ATP, CO2 dan air.
Pengoksidaan asid lemak dalam sel eukariotik dijalankan dalam mitokondria (tapak penyetempatan yang paling berciri), peroksisom atau retikulum endoplasma.
Pelbagai (jenis) pengoksidaan
Terdapat tiga jenis pengoksidaan asid lemak: α, β dan ω. Selalunya, proses ini diteruskan dengan mekanisme β dan disetempatkan dalam mitokondria. Laluan omega ialah alternatif kecil kepada mekanisme β dan dijalankan dalam retikulum endoplasma, manakala mekanisme alfa adalah ciri hanya satu jenis asid lemak (phytanic).
Biokimia pengoksidaan asid lemak dalam mitokondria
Untuk kemudahan, proses katabolisme mitokondria secara konvensional dibahagikan kepada 3 peringkat:
- pengaktifan dan pengangkutan ke mitokondria;
- pengoksidaan;
- pengoksidaan asetil-koenzim A yang terbentuk melalui kitaran Krebs dan rantai pengangkutan elektrik.
Pengaktifan ialah proses persediaan yang mengubah asid lemak kepada bentuk yang tersedia untuk transformasi biokimia, kerana molekul ini sendiri adalah lengai. Di samping itu, tanpa pengaktifan, mereka tidak boleh menembusi membran mitokondria. Peringkat ini berlaku pada membran luar mitokondria.
Sebenarnya, pengoksidaan ialah langkah penting dalam proses. Ia termasuk empat peringkat, selepas itu asid lemak ditukar menjadi molekul Acetyl-CoA. Produk yang sama terbentuk semasa penggunaan karbohidrat, supaya langkah-langkah seterusnya adalah serupa dengan langkah terakhir glikolisis aerobik. Pembentukan ATP berlaku dalam rantai pengangkutan elektron, di mana tenaga potensi elektrokimia digunakan untuk membentuk ikatan makroergik.
Dalam proses pengoksidaan asid lemak, selain molekul Acetyl-CoA, NADH dan FADH juga terbentuk2, yang turut memasuki rantai pernafasan sebagai penderma elektron. Akibatnya, jumlah tenaga keluaran katabolisme lipid adalah agak tinggi. Jadi, sebagai contoh, pengoksidaan asid palmitik oleh mekanisme β memberikan 106 molekul ATP.
Pengaktifan dan pemindahan ke matriks mitokondria
Asid lemak sendiri adalah lengai dan tidak boleh dioksidakan. Pengaktifan membawanya ke dalam bentuk yang tersedia untuk transformasi biokimia. Selain itu, molekul ini tidak boleh memasuki mitokondria tanpa berubah.
Intipati pengaktifan ialahpenukaran asid lemak kepada Acyl-CoA-thioesternya, yang kemudiannya mengalami pengoksidaan. Proses ini dijalankan oleh enzim khas - thiokinase (Acyl-CoA synthetases) yang melekat pada membran luar mitokondria. Tindak balas berlaku dalam 2 peringkat, dikaitkan dengan perbelanjaan tenaga dua ATP.
Tiga komponen diperlukan untuk pengaktifan:
- ATF;
- HS-CoA;
- Mg2+.
Pertama, asid lemak bertindak balas dengan ATP untuk membentuk acyladenylate (perantaraan). Itu, seterusnya, bertindak balas dengan HS-CoA, kumpulan tiol yang menyesarkan AMP, membentuk ikatan tioeter dengan kumpulan karboksil. Akibatnya, bahan asil-CoA terbentuk - terbitan asid lemak, yang diangkut ke mitokondria.
Pengangkutan ke mitokondria
Langkah ini dipanggil transesterifikasi dengan karnitin. Pemindahan asil-CoA ke matriks mitokondria dijalankan melalui liang dengan penyertaan karnitin dan enzim khas - carnitine acyltransferases.
Untuk pengangkutan merentasi membran, CoA digantikan dengan karnitin untuk membentuk asil-karnitin. Bahan ini diangkut ke dalam matriks oleh acyl-carnitine/carnitine transporter memudahkan resapan.
Di dalam mitokondria, tindak balas songsang berlaku, yang terdiri daripada detasmen retina, yang sekali lagi memasuki membran, dan pemulihan asil-CoA (dalam kes ini, koenzim A "tempatan" digunakan, dan bukan yang dengannya ikatan itu terbentukpada peringkat pengaktifan).
Tindak balas utama pengoksidaan asid lemak oleh mekanisme β
Jenis penggunaan tenaga asid lemak yang paling mudah ialah β-pengoksidaan rantai yang tidak mempunyai ikatan berganda, di mana bilangan unit karbon adalah genap. Substrat untuk proses ini, seperti yang dinyatakan di atas, ialah asil koenzim A.
Proses β-pengoksidaan asid lemak terdiri daripada 4 tindak balas:
- Penyahhidrogenan ialah pemisahan hidrogen daripada atom β-karbon dengan pembentukan ikatan berganda antara rantai rantai yang terletak pada kedudukan α dan β (atom pertama dan kedua). Akibatnya, enoyl-CoA terbentuk. Enzim tindak balas ialah asil-CoA dehidrogenase, yang bertindak dalam kombinasi dengan koenzim FAD (yang terakhir dikurangkan kepada FADH2).
- Penghidratan ialah penambahan molekul air kepada enoyl-CoA, menghasilkan pembentukan L-β-hydroxyacyl-CoA. Dijalankan oleh enoyl-CoA-hydratase.
- Penyahhidrogenan - pengoksidaan hasil tindak balas sebelumnya oleh dehidrogenase yang bergantung kepada NAD dengan pembentukan β-ketoasil-koenzim A. Dalam kes ini, NAD dikurangkan kepada NADH.
- Pemecahan β-ketoasil-KoA kepada asetil-KoA dan asil-KoA dipendekkan 2-karbon. Tindak balas dijalankan di bawah tindakan tiolase. Prasyarat ialah kehadiran HS-CoA percuma.
Kemudian semuanya bermula semula dengan tindak balas pertama.
Ulangan kitaran semua peringkat dijalankan sehingga keseluruhan rantai karbon asid lemak ditukar kepada molekul asetil-koenzim A.
Pembentukan Acetyl-CoA dan ATP pada contoh pengoksidaan palmitoyl-CoA
Pada penghujung setiap kitaran, molekul asil-KoA, NADH dan FADH2 terbentuk dalam satu jumlah, dan rantai asil-KoA-tioeter menjadi lebih pendek oleh dua atom. Dengan memindahkan elektron ke rantai elektrotransport, FADH2 memberikan satu setengah molekul ATP, dan NADH dua. Akibatnya, 4 molekul ATP diperoleh daripada satu kitaran, tidak mengira hasil tenaga asetil-CoA.
Rantai asid palmitik mempunyai 16 atom karbon. Ini bermakna bahawa pada peringkat pengoksidaan 7 kitaran harus dijalankan dengan pembentukan lapan asetil-KoA, dan hasil tenaga daripada NADH dan FADH2 dalam kes ini ialah 28 molekul ATP (4×7). Pengoksidaan asetil-KoA juga menuju kepada pembentukan tenaga, yang disimpan sebagai hasil daripada produk kitaran Krebs yang memasuki rantai pengangkutan elektrik.
Jumlah hasil langkah pengoksidaan dan kitaran Krebs
Hasil pengoksidaan asetil-KoA, 10 molekul ATP diperolehi. Oleh kerana katabolisme palmitoyl-CoA menghasilkan 8 asetil-CoA, hasil tenaga ialah 80 ATP (10×8). Jika anda menambah ini kepada hasil pengoksidaan NADH dan FADH2, anda mendapat 108 molekul (80+28). Daripada jumlah ini, 2 ATP harus ditolak, yang digunakan untuk mengaktifkan asid lemak.
Persamaan akhir untuk pengoksidaan asid palmitik ialah: palmitoyl-CoA + 16 O2 + 108 Pi + 80 ADP=CoA + 108 ATP + 16 CO2 + 16 H2O.
Pengiraan pembebasan tenaga
Ekzos tenagapada katabolisme asid lemak tertentu bergantung kepada bilangan unit karbon dalam rantainya. Bilangan molekul ATP dikira dengan formula:
[4(n/2 - 1) + n/2×10] - 2, di mana 4 ialah jumlah ATP yang dijana semasa setiap kitaran disebabkan oleh NADH dan FADH2, (n/2 - 1) ialah bilangan kitaran, n/2×10 ialah hasil tenaga daripada pengoksidaan asetil- CoA, dan 2 ialah kos pengaktifan.
Ciri tindak balas
Pengoksidaan asid lemak tak tepu mempunyai beberapa keanehan. Oleh itu, kesukaran untuk mengoksidakan rantai dengan ikatan berganda terletak pada fakta bahawa yang terakhir tidak boleh didedahkan kepada enoyl-CoA-hydratase kerana fakta bahawa mereka berada dalam kedudukan cis. Masalah ini disingkirkan oleh isomerase enoyl-CoA, kerana ikatan memperoleh konfigurasi trans. Akibatnya, molekul menjadi sama sepenuhnya dengan produk peringkat pertama pengoksidaan beta dan boleh mengalami penghidratan. Tapak yang mengandungi hanya ikatan tunggal teroksida dengan cara yang sama seperti asid tepu.
Kadangkala enoyl-CoA-isomerase tidak mencukupi untuk meneruskan proses. Ini terpakai kepada rantai yang mempunyai konfigurasi cis9-cis12 (ikatan berganda pada atom karbon ke-9 dan ke-12). Di sini, bukan sahaja konfigurasi menjadi penghalang, tetapi juga kedudukan ikatan berganda dalam rantai. Yang terakhir ini diperbetulkan oleh enzim 2,4-dienoyl-CoA reductase.
Pekatabolisme asid lemak ganjil
Asid jenis ini adalah tipikal bagi kebanyakan lipid asal semula jadi (semula jadi). Ini mewujudkan kerumitan tertentu, kerana setiap kitaranmembayangkan pemendekan dengan bilangan pautan genap. Atas sebab ini, pengoksidaan kitaran asid lemak yang lebih tinggi kumpulan ini berterusan sehingga penampilan sebatian 5-karbon sebagai produk, yang dipecahkan kepada asetil-KoA dan propionil-koenzim A. Kedua-dua sebatian memasuki kitaran lain tiga tindak balas., akibatnya succinyl-CoA terbentuk. Dialah yang memasuki kitaran Krebs.
Ciri pengoksidaan dalam peroksisom
Dalam peroksisom, pengoksidaan asid lemak berlaku melalui mekanisme beta yang serupa, tetapi tidak serupa, dengan mitokondria. Ia juga terdiri daripada 4 peringkat, yang memuncak dalam pembentukan produk dalam bentuk asetil-KoA, tetapi ia mempunyai beberapa perbezaan utama. Oleh itu, hidrogen berpecah pada peringkat penyahhidrogenan tidak memulihkan FAD, tetapi berpindah kepada oksigen dengan pembentukan hidrogen peroksida. Yang terakhir ini serta-merta mengalami belahan di bawah tindakan katalase. Akibatnya, tenaga yang boleh digunakan untuk mensintesis ATP dalam rantai pernafasan dilesapkan sebagai haba.
Perbezaan penting kedua ialah beberapa enzim peroksisom khusus untuk asid lemak tertentu yang kurang banyak dan tidak terdapat dalam matriks mitokondria.
Ciri peroksisom sel hati ialah tiada alat enzimatik kitaran Krebs. Oleh itu, hasil daripada pengoksidaan beta, produk rantai pendek terbentuk, yang diangkut ke mitokondria untuk pengoksidaan.
