ออกซิเดชันของกรดไขมัน: กระบวนการ คุณสมบัติ และสูตร

2024 ผู้เขียน: Angel Austin | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-17 05:43

เงื่อนไขหลักสำหรับชีวิตของสิ่งมีชีวิตใด ๆ คือการจัดหาพลังงานอย่างต่อเนื่องซึ่งใช้ไปกับกระบวนการเซลล์ต่างๆ ในเวลาเดียวกันบางส่วนของสารอาหารไม่สามารถใช้งานได้ทันที แต่สามารถเปลี่ยนเป็นปริมาณสำรองได้ บทบาทของอ่างเก็บน้ำดังกล่าวดำเนินการโดยไขมัน (ลิปิด) ซึ่งประกอบด้วยกลีเซอรอลและกรดไขมัน เซลล์หลังถูกใช้เป็นเชื้อเพลิง ในกรณีนี้ กรดไขมันจะถูกออกซิไดซ์เป็น CO₂ และ H₂O.

พื้นฐานของกรดไขมัน

กรดไขมันคือสายโซ่คาร์บอนที่มีความยาวต่างกัน (ตั้งแต่ 4 ถึง 36 อะตอม) ซึ่งจัดอยู่ในประเภททางเคมีเป็นกรดคาร์บอกซิลิก โซ่เหล่านี้สามารถแตกแขนงหรือไม่มีกิ่งและมีจำนวนพันธะคู่ต่างกัน หากไม่มีอยู่อย่างสมบูรณ์กรดไขมันจะเรียกว่าอิ่มตัว (โดยทั่วไปสำหรับไขมันหลายชนิดที่มาจากสัตว์) และอื่น ๆ -ไม่อิ่มตัว ตามการจัดเรียงของพันธะคู่ กรดไขมันจะถูกแบ่งออกเป็นไม่อิ่มตัวเชิงเดี่ยวและไม่อิ่มตัวเชิงซ้อน

โซ่ส่วนใหญ่มีอะตอมของคาร์บอนเป็นจำนวนคู่ ซึ่งเกิดจากการสังเคราะห์ในลักษณะพิเศษ อย่างไรก็ตาม มีการเชื่อมต่อกับลิงก์จำนวนคี่ การเกิดออกซิเดชันของสารประกอบทั้งสองชนิดนี้แตกต่างกันเล็กน้อย

ลักษณะทั่วไป

กระบวนการออกซิเดชันของกรดไขมันนั้นซับซ้อนและมีหลายขั้นตอน มันเริ่มต้นด้วยการเจาะเข้าไปในเซลล์และสิ้นสุดในห่วงโซ่ทางเดินหายใจ ในเวลาเดียวกัน ขั้นตอนสุดท้ายจะทำซ้ำ catabolism ของคาร์โบไฮเดรต (วงจร Krebs การเปลี่ยนแปลงพลังงานของการไล่ระดับเมมเบรนเป็นพันธะมหภาค) ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายของกระบวนการคือ ATP, CO₂ และน้ำ

การออกซิเดชันของกรดไขมันในเซลล์ยูคาริโอตจะดำเนินการในไมโตคอนเดรีย (ไซต์ที่มีลักษณะเฉพาะมากที่สุด) เพอรอกซิโซมหรือเอนโดพลาสมิกเรติคูลัม

พันธุ์ (ชนิด) ของการเกิดออกซิเดชัน

การออกซิเดชันของกรดไขมันมีสามประเภท: α, β และ ω บ่อยที่สุด กระบวนการนี้ดำเนินการโดยกลไก β และแปลเป็นภาษาท้องถิ่นในไมโตคอนเดรีย ทางเดินโอเมก้าเป็นทางเลือกรองจากกลไก β และดำเนินการในเอนโดพลาสมิกเรติคิวลัม ในขณะที่กลไกอัลฟามีลักษณะเฉพาะของกรดไขมันชนิดเดียวเท่านั้น (ไฟทานิก)

ชีวเคมีของการเกิดออกซิเดชันของกรดไขมันในไมโตคอนเดรีย

เพื่อความสะดวก กระบวนการแคแทบอลิซึมของไมโตคอนเดรียแบ่งออกเป็น 3 ขั้นตอนตามอัตภาพ:

• เปิดใช้งานและขนส่งไมโตคอนเดรีย
• ออกซิเดชัน;
• ออกซิเดชันของอะเซทิล-โคเอ็นไซม์ A ที่เกิดขึ้นผ่านวงจร Krebs และห่วงโซ่การขนส่งทางไฟฟ้า

การเปิดใช้งานเป็นกระบวนการเตรียมการที่เปลี่ยนกรดไขมันให้อยู่ในรูปแบบที่พร้อมสำหรับการเปลี่ยนแปลงทางชีวเคมี เนื่องจากโมเลกุลเหล่านี้เองเฉื่อย นอกจากนี้ หากไม่มีการกระตุ้น พวกมันจะไม่สามารถทะลุผ่านเยื่อหุ้มไมโตคอนเดรียได้ ระยะนี้เกิดขึ้นที่เยื่อหุ้มชั้นนอกของไมโตคอนเดรีย

อันที่จริง การเกิดออกซิเดชันเป็นขั้นตอนสำคัญในกระบวนการนี้ ประกอบด้วยสี่ขั้นตอน หลังจากนั้นกรดไขมันจะถูกแปลงเป็นโมเลกุลของ Acetyl-CoA ผลิตภัณฑ์ชนิดเดียวกันนี้เกิดขึ้นระหว่างการใช้คาร์โบไฮเดรต ดังนั้นขั้นตอนต่อมาจึงคล้ายกับขั้นตอนสุดท้ายของไกลโคไลซิสแบบแอโรบิก การก่อตัวของ ATP เกิดขึ้นในห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน ซึ่งพลังงานของศักย์ไฟฟ้าเคมีถูกใช้เพื่อสร้างพันธะมหภาค

ในกระบวนการออกซิเดชันของกรดไขมัน นอกจาก Acetyl-CoA แล้ว โมเลกุล NADH และ FADH ยังก่อตัวขึ้นด้วย₂ ซึ่งเข้าสู่ทางเดินหายใจในฐานะผู้บริจาคอิเล็กตรอน ส่งผลให้ปริมาณพลังงานรวมของแคแทบอลิซึมของไขมันค่อนข้างสูง ตัวอย่างเช่น การเกิดออกซิเดชันของกรดปาลมิติกโดยกลไก β ให้โมเลกุล ATP 106 โมเลกุล

การเปิดใช้งานและถ่ายโอนไปยัง mitochondrial matrix

กรดไขมันเองนั้นเฉื่อยและไม่สามารถออกซิไดซ์ได้ การกระตุ้นทำให้พวกเขาอยู่ในรูปแบบที่พร้อมใช้งานสำหรับการเปลี่ยนแปลงทางชีวเคมี นอกจากนี้ โมเลกุลเหล่านี้ไม่สามารถเข้าสู่ไมโตคอนเดรียได้โดยไม่เปลี่ยนแปลง

สาระสำคัญของการเปิดใช้งานคือการเปลี่ยนกรดไขมันเป็น Acyl-CoA-thioester ซึ่งต่อมาเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน กระบวนการนี้ดำเนินการโดยเอ็นไซม์พิเศษ - ไทโอไคเนส (Acyl-CoA synthetases) ที่ติดอยู่กับเยื่อหุ้มชั้นนอกของไมโตคอนเดรีย ปฏิกิริยาดำเนินไปใน 2 ขั้นตอน เกี่ยวข้องกับการใช้พลังงานของ ATP สองตัว

ต้องมีสามองค์ประกอบในการเปิดใช้งาน:

• ATF;
• HS-CoA;
• Mg²⁺.

อย่างแรก กรดไขมันทำปฏิกิริยากับ ATP เพื่อสร้างอะซิลาดีนิเลต (ตัวกลาง) ในทางกลับกัน ทำปฏิกิริยากับ HS-CoA ซึ่งเป็นกลุ่ม thiol ซึ่งแทนที่ AMP ทำให้เกิดพันธะไทโออีเทอร์กับกลุ่มคาร์บอกซิล เป็นผลให้สาร acyl-CoA เกิดขึ้น - อนุพันธ์ของกรดไขมันซึ่งถูกส่งไปยังไมโตคอนเดรีย

ขนส่งไมโตคอนเดรีย

ขั้นตอนนี้เรียกว่าทรานส์เอสเทอริฟิเคชันด้วยคาร์นิทีน การถ่ายโอน acyl-CoA ไปยัง mitochondrial matrix จะดำเนินการผ่านรูขุมขนโดยมีส่วนร่วมของ carnitine และเอนไซม์พิเศษ - carnitine acyltransferases

สำหรับการขนส่งข้ามเมมเบรน CoA จะถูกแทนที่ด้วยคาร์นิทีนเพื่อสร้างเอซิล-คาร์นิทีน สารนี้ถูกลำเลียงเข้าสู่เมทริกซ์โดยตัวขนส่ง acyl-carnitine/carnitine อำนวยความสะดวกในการแพร่กระจาย

ภายในไมโตคอนเดรียเกิดปฏิกิริยาผกผันซึ่งประกอบด้วยการหลุดออกของเรตินอลซึ่งเข้าสู่เยื่อหุ้มอีกครั้งและการฟื้นฟู acyl-CoA (ในกรณีนี้จะใช้โคเอ็นไซม์ "เฉพาะที่" และ ไม่ใช่ที่ซึ่งความผูกพันได้ก่อตัวขึ้นในขั้นตอนการเปิดใช้งาน)

ปฏิกิริยาหลักของการเกิดออกซิเดชันของกรดไขมันโดยกลไก β

ประเภทการใช้พลังงานที่ง่ายที่สุดของกรดไขมันคือ β-ออกซิเดชันของโซ่ที่ไม่มีพันธะคู่ ซึ่งจำนวนหน่วยคาร์บอนจะเท่ากัน ซับสเตรตสำหรับกระบวนการนี้ ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น คือ acyl coenzyme A.

กระบวนการออกซิเดชันของกรดไขมัน β ประกอบด้วย 4 ปฏิกิริยา:

1. Dehydrogenation คือการแยกไฮโดรเจนออกจากอะตอม β-คาร์บอนด้วยการก่อตัวของพันธะคู่ระหว่างการเชื่อมโยงลูกโซ่ที่อยู่ในตำแหน่ง α และ β (อะตอมที่หนึ่งและที่สอง) เป็นผลให้เกิดอีโนอิล-CoA เอนไซม์ที่ทำปฏิกิริยาคือ acyl-CoA dehydrogenase ซึ่งทำหน้าที่ร่วมกับโคเอ็นไซม์ FAD (ตัวหลังจะลดลงเหลือ FADH2)
2. การให้ความชุ่มชื้นคือการเติมโมเลกุลของน้ำให้กับอีโนอิล-CoA ทำให้เกิด L-β-hydroxyacyl-CoA ดำเนินการโดย enoyl-CoA-hydratase
3. ดีไฮโดรจีเนชัน - ออกซิเดชันของผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาก่อนหน้าโดยดีไฮโดรจีเนสที่ขึ้นกับ NAD ด้วยการก่อตัวของ β-ketoacyl-coenzyme A ในกรณีนี้ NAD จะลดลงเป็น NADH
4. ความแตกแยกของ β-ketoacyl-CoA ถึง acetyl-CoA และ 2-carbon shortened acyl-CoA ปฏิกิริยาจะดำเนินการภายใต้การกระทำของไธโอเลส ข้อกำหนดเบื้องต้นคือการมี HS-CoA ฟรี

แล้วทุกอย่างก็เริ่มต้นใหม่กับปฏิกิริยาแรก

วนซ้ำเป็นวงกลมของทุกขั้นตอนจนกว่าห่วงโซ่คาร์บอนทั้งหมดของกรดไขมันจะถูกแปลงเป็นโมเลกุลของ acetyl-coenzyme A.

การก่อตัวของ Acetyl-CoA และ ATP จากตัวอย่างการเกิดออกซิเดชันของปาล์มมิโตอิล-CoA

เมื่อสิ้นสุดแต่ละรอบ โมเลกุล acyl-CoA, NADH และ FADH2 จะก่อตัวขึ้นในปริมาณเดียว และสาย acyl-CoA-thioether จะสั้นลงโดยอะตอมสองอะตอม โดยการถ่ายโอนอิเล็กตรอนไปยังสายโซ่ขนส่งด้วยไฟฟ้า FADH2 ให้โมเลกุล ATP หนึ่งและครึ่ง และ NADH สองโมเลกุล เป็นผลให้ได้โมเลกุล ATP 4 ตัวจากรอบเดียว โดยไม่นับผลผลิตพลังงานของ acetyl-CoA

โซ่กรดปาล์มิติกมีคาร์บอน 16 อะตอม ซึ่งหมายความว่าในขั้นตอนของการเกิดออกซิเดชันควรทำ 7 รอบด้วยการก่อตัวของ acetyl-CoA แปดตัวและผลผลิตพลังงานจาก NADH และ FADH₂ ในกรณีนี้จะเป็น 28 โมเลกุล ATP (4×7). การเกิดออกซิเดชันของ acetyl-CoA ยังไปสู่การก่อตัวของพลังงาน ซึ่งถูกเก็บไว้เป็นผลมาจากผลิตภัณฑ์ของวงจร Krebs ที่เข้าสู่ห่วงโซ่การขนส่งทางไฟฟ้า

ผลผลิตรวมของขั้นตอนการออกซิเดชันและวัฏจักรเครบส์

ผลจากการเกิดออกซิเดชันของ acetyl-CoA ทำให้ได้โมเลกุล ATP 10 โมเลกุล เนื่องจากแคแทบอลิซึมของ Palmitoyl-CoA ให้ผลผลิต 8 acetyl-CoA ผลผลิตพลังงานจะเป็น 80 ATP (10×8) หากคุณบวกสิ่งนี้เข้ากับผลลัพธ์ของการเกิดออกซิเดชันของ NADH และ FADH₂ คุณจะได้ 108 โมเลกุล (80+28) จากจำนวนนี้ควรลบ 2 ATP ซึ่งไปกระตุ้นกรดไขมัน

สมการสุดท้ายของการเกิดออกซิเดชันของกรดปาล์มิติกจะเป็น: palmitoyl-CoA + 16 O₂ + 108 Pi + 80 ADP=CoA + 108 ATP + 16 CO2 _{+ 16 ชั่วโมง}2_O.

การคำนวณการปล่อยพลังงาน

ท่อไอเสียแคแทบอลิซึมของกรดไขมันนั้นขึ้นอยู่กับจำนวนหน่วยคาร์บอนในสายโซ่ จำนวนโมเลกุล ATP คำนวณโดยสูตร:

[4(n/2 - 1) + n/2×10] - 2, โดยที่ 4 คือปริมาณของ ATP ที่สร้างขึ้นในแต่ละรอบเนื่องจาก NADH และ FADH2 (n/2 - 1) คือจำนวนรอบ n/2×10 คือผลผลิตพลังงานจากการเกิดออกซิเดชันของ acetyl- CoA และ 2 คือค่าใช้จ่ายในการเปิดใช้งาน

คุณลักษณะของปฏิกิริยา

การออกซิเดชันของกรดไขมันไม่อิ่มตัวมีลักษณะเฉพาะบางประการ ดังนั้น ความยากของการออกซิไดซ์โซ่ด้วยพันธะคู่จึงอยู่ที่ความจริงที่ว่าหลังไม่สามารถสัมผัสกับอีโนอิล-โคเอ-ไฮเดรตได้เนื่องจากอยู่ในตำแหน่งซิสเต็ม ปัญหานี้จะหมดไปโดยอีโนอิล-CoA ไอโซเมอเรส เนื่องจากพันธะได้รับการกำหนดค่าทรานส์ เป็นผลให้โมเลกุลจะเหมือนกันอย่างสมบูรณ์กับผลิตภัณฑ์ของขั้นตอนแรกของการเกิดออกซิเดชันของเบต้าและสามารถรับความชุ่มชื้นได้ ไซต์ที่มีพันธะเดี่ยวออกซิไดซ์ในลักษณะเดียวกับกรดอิ่มตัว

บางครั้ง enoyl-CoA-isomerase ไม่เพียงพอที่จะดำเนินการต่อไป สิ่งนี้ใช้กับโซ่ที่มีการกำหนดค่า cis9-cis12 (พันธะคู่ที่อะตอมของคาร์บอนที่ 9 และ 12) ที่นี่ ไม่เพียงแต่การกำหนดค่าเท่านั้นที่เป็นอุปสรรค แต่ยังรวมถึงตำแหน่งของพันธะคู่ในห่วงโซ่ด้วย หลังได้รับการแก้ไขโดยเอนไซม์ 2,4-dienoyl-CoA reductase

แคแทบอลิซึมของกรดไขมันแปลก ๆ

กรดชนิดนี้เป็นเรื่องปกติสำหรับไขมันส่วนใหญ่ที่มีต้นกำเนิดจากธรรมชาติ สิ่งนี้ทำให้เกิดความซับซ้อน เนื่องจากแต่ละรอบหมายถึงการย่อให้สั้นลงด้วยจำนวนลิงก์ที่เท่ากัน ด้วยเหตุนี้ cyclic oxidation ของกรดไขมันกลุ่มนี้จึงดำเนินต่อไปจนกระทั่งเกิดสารประกอบ 5-carbon เป็นผลิตภัณฑ์ซึ่งแยกออกเป็น acetyl-CoA และ propionyl-coenzyme A สารประกอบทั้งสองเข้าสู่วงจรของปฏิกิริยาสามตัว อันเป็นผลมาจากการที่ซัคซินิล-CoA เกิดขึ้น เป็นผู้เข้าสู่วัฏจักรเคร็บส์

คุณลักษณะของการเกิดออกซิเดชันในเปอร์รอกซิโซม

ในเปอร์รอกซิโซม การเกิดออกซิเดชันของกรดไขมันเกิดขึ้นผ่านกลไกเบต้าที่คล้ายคลึงกันแต่ไม่เหมือนกันกับไมโตคอนเดรีย นอกจากนี้ยังประกอบด้วย 4 ขั้นตอนซึ่งทำให้เกิดการก่อตัวของผลิตภัณฑ์ในรูปของ acetyl-CoA แต่มีความแตกต่างที่สำคัญหลายประการ ดังนั้นไฮโดรเจนที่แยกออกในขั้นตอนดีไฮโดรจีเนชันจะไม่คืนค่า FAD แต่ส่งผ่านไปยังออกซิเจนด้วยการก่อตัวของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ หลังเกิดความแตกแยกทันทีภายใต้การกระทำของคาตาเลส เป็นผลให้พลังงานที่สามารถใช้ในการสังเคราะห์ ATP ในห่วงโซ่ทางเดินหายใจได้กระจายไปเป็นความร้อน

ความแตกต่างที่สำคัญประการที่สองคือเอนไซม์เปอร์รอกซิโซมบางตัวมีความเฉพาะเจาะจงกับกรดไขมันบางชนิดที่มีปริมาณน้อย และไม่มีอยู่ในเมทริกซ์ยล

คุณสมบัติของเปอร์รอกซิโซมของเซลล์ตับคือไม่มีกลไกการทำงานของเอนไซม์ในวงจรเครบส์ ดังนั้น ผลจากเบต้าออกซิเดชัน ผลิตภัณฑ์สายสั้นจึงถูกสร้างขึ้น ซึ่งถูกส่งไปยังไมโตคอนเดรียเพื่อออกซิเดชัน