Die hoofvoorwaarde vir die lewe van enige organisme is die voortdurende toevoer van energie, wat aan verskeie sellulêre prosesse bestee word. Terselfdertyd kan 'n sekere deel van die voedingstofverbindings nie dadelik gebruik word nie, maar kan dit in reserwes omgeskakel word. Die rol van so 'n reservoir word verrig deur vette (lipiede), bestaande uit gliserol en vetsure. Laasgenoemde word deur diesel as brandstof gebruik. In hierdie geval word vetsure geoksideer na CO2 en H2O.
Basiese vetsuur
Vetsure is koolstofkettings van verskillende lengtes (van 4 tot 36 atome), wat chemies as karboksielsure geklassifiseer word. Hierdie kettings kan óf vertakt of onvertakt wees en bevat verskillende getalle dubbelbindings. As laasgenoemde heeltemal afwesig is, word vetsure versadig genoem (tipies vir baie lipiede van dierlike oorsprong), en andersins -onversadigde. Volgens die rangskikking van dubbelbindings word vetsure in mono-onversadigde en poli-onversadigde verdeel.
Die meeste kettings bevat 'n ewe aantal koolstofatome, wat te wyte is aan die eienaardigheid van hul sintese. Daar is egter verbindings met 'n onewe aantal skakels. Die oksidasie van hierdie twee tipes verbindings verskil effens.
Algemene kenmerke
Die proses van vetsuuroksidasie is kompleks en multi-stadium. Dit begin met hul penetrasie in die sel en eindig in die respiratoriese ketting. Terselfdertyd herhaal die finale stadiums eintlik die katabolisme van koolhidrate (die Krebs-siklus, die transformasie van die energie van die transmembraangradiënt in 'n makroergiese binding). Die finale produkte van die proses is ATP, CO2 en water.
Oksidasie van vetsure in 'n eukariotiese sel word uitgevoer in mitochondria (die mees kenmerkende lokaliseringsplek), peroksisome of endoplasmiese retikulum.
Variëteite (tipes) oksidasie
Daar is drie tipes vetsuuroksidasie: α, β en ω. Meestal verloop hierdie proses deur die β-meganisme en word dit in mitochondria gelokaliseer. Die omega-weg is 'n klein alternatief vir die β-meganisme en word in die endoplasmiese retikulum uitgevoer, terwyl die alfa-meganisme kenmerkend is van slegs een tipe vetsuur (fytaniese).
Biochemie van vetsuuroksidasie in mitochondria
Gerieflikheidshalwe word die proses van mitochondriale katabolisme konvensioneel in 3 stadiums verdeel:
- aktivering en vervoer na mitochondria;
- oksidasie;
- oksidasie van die gevormde asetiel-koënsiem A deur die Krebs-siklus en die elektriese vervoerketting.
Aktivering is 'n voorbereidingsproses wat vetsure omskep in 'n vorm wat beskikbaar is vir biochemiese transformasies, aangesien hierdie molekules self inert is. Daarbenewens, sonder aktivering, kan hulle nie die mitochondriale membrane binnedring nie. Hierdie stadium vind plaas by die buitenste membraan van die mitochondria.
Eintlik is oksidasie 'n sleutelstap in die proses. Dit sluit vier fases in, waarna die vetsuur in asetiel-KoA-molekules omgeskakel word. Dieselfde produk word tydens die benutting van koolhidrate gevorm, sodat die daaropvolgende stappe soortgelyk is aan die laaste stappe van aërobiese glikolise. Die vorming van ATP vind plaas in die elektronvervoerketting, waar die energie van die elektrochemiese potensiaal gebruik word om 'n makroergiese binding te vorm.
In die proses van vetsuuroksidasie word benewens asetiel-CoA, NADH- en FADH-molekules ook gevorm2, wat ook as elektronskenkers die respiratoriese ketting binnedring. As gevolg hiervan is die totale energie-uitset van lipiedkatabolisme redelik hoog. So, byvoorbeeld, gee die oksidasie van palmitiensuur deur die β-meganisme 106 ATP-molekules.
Aktivering en oordrag na die mitochondriale matriks
Vetsure self is inert en kan nie geoksideer word nie. Aktivering bring hulle in 'n vorm wat beskikbaar is vir biochemiese transformasies. Boonop kan hierdie molekules nie onveranderd die mitochondria binnegaan nie.
Die essensie van aktivering isdie omskakeling van 'n vetsuur in sy Acyl-CoA-tioester, wat daarna oksidasie ondergaan. Hierdie proses word uitgevoer deur spesiale ensieme - tiokinases (Acyl-CoA-sintetases) wat aan die buitenste membraan van mitochondria geheg is. Die reaksie verloop in 2 fases, geassosieer met die verbruik van energie van twee ATP.
Drie komponente word benodig vir aktivering:
- ATF;
- HS-CoA;
- Mg2+.
Eers reageer die vetsuur met ATP om asieladienilaat ('n tussenproduk) te vorm. Dit reageer op sy beurt met HS-CoA, waarvan die tiolgroep AMP verplaas en 'n tioeterbinding met die karboksielgroep vorm. As gevolg hiervan word die stof asiel-CoA gevorm - 'n vetsuurderivaat, wat na die mitochondria vervoer word.
Vervoer na mitochondria
Hierdie stap word transesterifikasie met karnitien genoem. Die oordrag van asiel-CoA na die mitochondriale matriks word deur die porieë uitgevoer met die deelname van karnitien en spesiale ensieme - karnitienasieltransferases.
Vir vervoer oor membrane word KoA deur karnitien vervang om asiel-karnitien te vorm. Hierdie stof word in die matriks vervoer deur asiel-karnitien/karnitien vervoerder gefasiliteer diffusie.
Binne die mitochondria vind 'n omgekeerde reaksie plaas, wat bestaan uit die loslating van retinale, wat weer in die membrane ingaan, en die herstel van asiel-CoA (in hierdie geval word die "plaaslike" koënsiem A gebruik, en nie die een waarmee die band gevorm is nieby die aktiveringstadium).
Hoofreaksies van vetsuuroksidasie deur β-meganisme
Die eenvoudigste tipe energiebenutting van vetsure is β-oksidasie van kettings wat nie dubbelbindings het nie, waarin die aantal koolstofeenhede ewe is. Die substraat vir hierdie proses, soos hierbo genoem, is asielkoënsiem A.
Die proses van β-oksidasie van vetsure bestaan uit 4 reaksies:
- Dehidrogenering is die afsplitsing van waterstof van 'n β-koolstofatoom met die vorming van 'n dubbelbinding tussen kettingskakels geleë in α- en β-posisies (eerste en tweede atome). As gevolg hiervan word enoyl-CoA gevorm. Die reaksie-ensiem is asiel-CoA-dehidrogenase, wat in kombinasie met die koënsiem FAD optree (laasgenoemde word tot FADH2 gereduseer).
- Hidrasie is die byvoeging van 'n watermolekule by enoyl-CoA, wat lei tot die vorming van L-β-hydroxyacyl-CoA. Uitgevoer deur enoyl-CoA-hidrase.
- Dehidrogenering - oksidasie van die produk van die vorige reaksie deur NAD-afhanklike dehidrogenase met die vorming van β-ketoasiel-koënsiem A. In hierdie geval word NAD na NADH gereduseer.
- Splyting van β-ketoacyl-CoA na asetiel-CoA en 'n 2-koolstof verkorte asiel-CoA. Die reaksie word uitgevoer onder die werking van tiolase. 'n Voorvereiste is die teenwoordigheid van gratis HS-CoA.
Dan begin alles weer met die eerste reaksie.
Die sikliese herhaling van alle stadiums word uitgevoer totdat die hele koolstofketting van die vetsuur in molekules van asetiel-koënsiem A omgeskakel word.
Vorming van asetiel-CoA en ATP op die voorbeeld van palmitoyl-CoA-oksidasie
Aan die einde van elke siklus word asiel-KoA-, NADH- en FADH2-molekules in 'n enkele hoeveelheid gevorm, en die asiel-KoA-tioeterketting word met twee atome korter. Deur elektrone na die elektrotransportketting oor te dra, gee FADH2 een en 'n half ATP-molekules, en NADH twee. As gevolg hiervan word 4 ATP-molekules uit een siklus verkry, die energie-opbrengs van asetiel-CoA nie ingereken nie.
Die palmitiensuurketting het 16 koolstofatome. Dit beteken dat in die stadium van oksidasie 7 siklusse uitgevoer moet word met die vorming van agt asetiel-CoA, en die energie-opbrengs van NADH en FADH2 sal in hierdie geval 28 ATP-molekules wees (4×7). Die oksidasie van asetiel-CoA gaan ook na die vorming van energie, wat gestoor word as gevolg van die produkte van die Krebs-siklus wat die elektriese vervoerketting binnegaan.
Totale opbrengs van oksidasiestappe en Krebs-siklus
As gevolg van die oksidasie van asetiel-CoA, word 10 ATP-molekules verkry. Aangesien die katabolisme van palmitoyl-CoA 8 asetiel-CoA lewer, sal die energie-opbrengs 80 ATP (10×8) wees. As jy dit by die resultaat van die oksidasie van NADH en FADH2 voeg, kry jy 108 molekules (80+28). Van hierdie hoeveelheid moet 2 ATP afgetrek word, wat gegaan het om die vetsuur te aktiveer.
Die finale vergelyking vir die oksidasie van palmitiensuur sal wees: palmitoyl-CoA + 16 O2 + 108 Pi + 80 ADP=CoA + 108 ATP + 16 CO2 + 16 H2O.
Berekening van energievrystelling
Energie-uitlaatop die katabolisme van 'n bepaalde vetsuur hang af van die aantal koolstofeenhede in sy ketting. Die aantal ATP-molekules word bereken deur die formule:
[4(n/2 - 1) + n/2×10] - 2, waar 4 die hoeveelheid ATP is wat tydens elke siklus gegenereer word as gevolg van NADH en FADH2, (n/2 - 1) is die aantal siklusse, n/2×10 is die energie-opbrengs van die oksidasie van asetiel- CoA, en 2 is die koste van aktivering.
Kenmerke van reaksies
Oksidasie van onversadigde vetsure het 'n paar eienaardighede. Die moeilikheid om kettings met dubbelbindings te oksideer lê dus in die feit dat laasgenoemde nie aan enoyl-CoA-hidrase blootgestel kan word nie as gevolg van die feit dat hulle in die cis-posisie is. Hierdie probleem word uitgeskakel deur enoyl-CoA-isomerase, waardeur die binding 'n trans-konfigurasie verkry. As gevolg hiervan word die molekule heeltemal identies aan die produk van die eerste stadium van beta-oksidasie en kan dit hidrasie ondergaan. Terreine wat slegs enkelbindings bevat, oksideer op dieselfde manier as versadigde sure.
Soms is enoyl-CoA-isomerase nie genoeg om die proses voort te sit nie. Dit geld vir kettings waarin die cis9-cis12-konfigurasie teenwoordig is (dubbelbindings by die 9de en 12de koolstofatome). Hier is nie net die konfigurasie 'n hindernis nie, maar ook die posisie van die dubbelbindings in die ketting. Laasgenoemde word reggestel deur die ensiem 2,4-dienoyl-CoA-reduktase.
Katabolisme van vreemde vetsure
Hierdie tipe suur is tipies vir die meeste lipiede van natuurlike (natuurlike) oorsprong. Dit skep 'n sekere kompleksiteit, aangesien elke siklusimpliseer verkorting met 'n ewe aantal skakels. Om hierdie rede gaan die sikliese oksidasie van die hoër vetsure van hierdie groep voort tot die verskyning van 'n 5-koolstofverbinding as 'n produk, wat in asetiel-CoA en propioniel-koënsiem A gesplits word. Beide verbindings gaan 'n ander siklus van drie reaksies binne., as gevolg waarvan suksiniel-CoA gevorm word. Dit is hy wat die Krebs-siklus betree.
Kenmerke van oksidasie in peroksisome
In peroksisome vind vetsuuroksidasie plaas via 'n beta-meganisme wat soortgelyk is aan mitochondriale, maar nie identies is nie. Dit bestaan ook uit 4 stadiums, wat uitloop op die vorming van die produk in die vorm van asetiel-CoA, maar dit het verskeie sleutelverskille. Die waterstof wat afgesplits word by die dehidrogeneringstadium herstel dus nie FAD nie, maar gaan oor na suurstof met die vorming van waterstofperoksied. Laasgenoemde ondergaan onmiddellik splitsing onder die werking van katalase. As gevolg hiervan word energie wat gebruik kon word om ATP in die respiratoriese ketting te sintetiseer, as hitte verdryf.
Die tweede belangrike verskil is dat sommige peroksisoomensieme spesifiek is vir sekere minder volop vetsure en nie in die mitochondriale matriks teenwoordig is nie.
Kenmerk van peroksisome van lewerselle is dat daar geen ensiematiese apparaat van die Krebs-siklus is nie. Daarom word as gevolg van beta-oksidasie kortkettingprodukte gevorm, wat na die mitochondria vervoer word vir oksidasie.
