Điều kiện chính cho sự sống của bất kỳ sinh vật nào là nguồn cung cấp năng lượng liên tục, được sử dụng cho các quá trình tế bào khác nhau. Đồng thời, một phần hợp chất dinh dưỡng nhất định không thể sử dụng ngay mà có thể chuyển hóa thành chất dự trữ. Vai trò của một bể chứa như vậy được thực hiện bởi chất béo (lipid), bao gồm glycerol và axit béo. Sau này được sử dụng bởi tế bào làm nhiên liệu. Trong trường hợp này, các axit béo bị oxy hóa thành CO2và H2O.
Cơ bản về axit béo
Axit béo là các chuỗi cacbon có độ dài khác nhau (từ 4 đến 36 nguyên tử), được phân loại về mặt hóa học là axit cacboxylic. Các chuỗi này có thể phân nhánh hoặc không phân nhánh và chứa số lượng liên kết đôi khác nhau. Nếu loại sau hoàn toàn không có, các axit béo được gọi là bão hòa (điển hình cho nhiều loại lipid có nguồn gốc động vật), và nếu không thì -không bão hòa. Theo sự sắp xếp của các liên kết đôi, axit béo được chia thành không bão hòa đơn và không bão hòa đa.
Hầu hết các chuỗi đều chứa một số nguyên tử cacbon chẵn, đó là do tính chất đặc biệt của quá trình tổng hợp chúng. Tuy nhiên, có những kết nối với số lượng liên kết lẻ. Quá trình oxy hóa của hai loại hợp chất này hơi khác nhau.
Đặc điểm chung
Quá trình oxy hóa axit béo rất phức tạp và nhiều giai đoạn. Nó bắt đầu với sự xâm nhập của chúng vào tế bào và kết thúc trong chuỗi hô hấp. Đồng thời, giai đoạn cuối thực sự lặp lại quá trình dị hóa carbohydrate (chu trình Krebs, sự chuyển đổi năng lượng của gradient xuyên màng thành liên kết macroergic). Sản phẩm cuối cùng của quá trình là ATP, CO2và nước.
Quá trình oxy hóa axit béo trong tế bào nhân thực được thực hiện trong ti thể (vị trí nội địa hóa đặc trưng nhất), peroxisome hoặc lưới nội chất.
Các loại (loại) oxy hóa
Có ba dạng oxy hóa axit béo: α, β và ω. Thông thường, quá trình này diễn ra theo cơ chế β và khu trú trong ti thể. Con đường omega là một thay thế nhỏ cho cơ chế β và được thực hiện trong lưới nội chất, trong khi cơ chế alpha chỉ đặc trưng cho một loại axit béo (phytanic).
Hóa sinh của quá trình oxy hóa axit béo trong ti thể
Để thuận tiện, quá trình dị hóa ty thể được quy ước thành 3 giai đoạn:
- kích hoạt và vận chuyển đến ti thể;
- oxy hoá;
- oxy hóa acetyl-coenzyme A được hình thành thông qua chu trình Krebs và chuỗi vận chuyển điện.
Kích hoạt là một quá trình chuẩn bị để biến đổi các axit béo thành một dạng có sẵn cho các biến đổi sinh hóa, vì bản thân các phân tử này là trơ. Ngoài ra, nếu không có sự kích hoạt, chúng không thể xâm nhập vào màng ti thể. Giai đoạn này diễn ra ở màng ngoài của ti thể.
Thực ra, oxy hóa là một bước quan trọng trong quá trình này. Nó bao gồm bốn giai đoạn, sau đó axit béo được chuyển đổi thành các phân tử Acetyl-CoA. Cùng một sản phẩm được hình thành trong quá trình sử dụng carbohydrate, do đó các bước tiếp theo tương tự như các bước cuối cùng của quá trình đường phân hiếu khí. Sự hình thành ATP xảy ra trong chuỗi vận chuyển điện tử, nơi năng lượng của thế điện hóa được sử dụng để tạo thành liên kết macroergic.
Trong quá trình oxy hóa axit béo, ngoài Acetyl-CoA, các phân tử NADH và FADH cũng được hình thành2, cũng đi vào chuỗi hô hấp với tư cách là chất cho điện tử. Kết quả là tổng năng lượng đầu ra của quá trình dị hóa lipid khá cao. Vì vậy, ví dụ, quá trình oxy hóa axit palmitic theo cơ chế β tạo ra 106 phân tử ATP.
Kích hoạt và chuyển sang ma trận ty thể
Bản thân axit béo rất trơ và không thể bị oxy hóa. Sự hoạt hóa đưa chúng về dạng có sẵn cho các quá trình biến đổi sinh hóa. Ngoài ra, những phân tử này không thể xâm nhập vào ty thể một cách không thay đổi.
Bản chất của sự kích hoạt làsự chuyển đổi một axit béo thành Acyl-CoA-thioester của nó, sau đó trải qua quá trình oxy hóa. Quá trình này được thực hiện bởi các enzym đặc biệt - thiokinase (Acyl-CoA synthetases) gắn vào màng ngoài của ti thể. Phản ứng diễn ra trong 2 giai đoạn, liên quan đến sự tiêu hao năng lượng của hai ATP.
Cần có ba thành phần để kích hoạt:
- ATF;
- HS-CoA;
- Mg2 +.
Đầu tiên, axit béo phản ứng với ATP để tạo thành acyladenylate (một chất trung gian). Đến lượt nó, phản ứng với HS-CoA, nhóm thiol thay thế AMP, tạo thành liên kết thioether với nhóm cacboxyl. Kết quả là, chất acyl-CoA được hình thành - một dẫn xuất axit béo, được vận chuyển đến ty thể.
Vận chuyển đến ty thể
Bước này được gọi là transesterification với carnitine. Việc chuyển acyl-CoA đến chất nền ty thể được thực hiện thông qua các lỗ chân lông với sự tham gia của carnitine và các enzym đặc biệt - carnitine acyltransferase.
Để vận chuyển qua màng, CoA được thay thế bằng carnitine để tạo thành acyl-carnitine. Chất này được vận chuyển vào chất nền bằng chất vận chuyển acyl-carnitine / carnitine được tạo điều kiện khuếch tán.
Bên trong ty thể, một phản ứng nghịch xảy ra, bao gồm sự tách ra của retinal, lại xâm nhập vào màng và phục hồi acyl-CoA (trong trường hợp này, coenzyme A "cục bộ" được sử dụng, và không phải là thứ mà mối liên kết được hình thànhở giai đoạn kích hoạt).
Các phản ứng chính của quá trình oxy hóa axit béo theo cơ chế β
Loại sử dụng năng lượng đơn giản nhất của axit béo là quá trình oxy hóa β của các chuỗi không có liên kết đôi, trong đó số đơn vị cacbon là số chẵn. Chất nền cho quá trình này, như đã nói ở trên, là acyl coenzyme A.
Quá trình β-oxy hóa axit béo bao gồm 4 phản ứng:
- Dehydro hóa là sự tách hydro từ nguyên tử cacbon β với sự hình thành liên kết đôi giữa các mắt xích nằm ở vị trí α và β (nguyên tử thứ nhất và thứ hai). Kết quả là, enoyl-CoA được hình thành. Enzyme phản ứng là acyl-CoA dehydrogenase, hoạt động kết hợp với coenzyme FAD (sau này được khử thành FADH2).
- Hydrat hóa là việc bổ sung một phân tử nước vào enoyl-CoA, dẫn đến sự hình thành L-β-hydroxyacyl-CoA. Thực hiện bởi enoyl-CoA-hydratase.
- Dehydrogenation - quá trình oxy hóa sản phẩm của phản ứng trước bởi dehydrogenase phụ thuộc NAD với sự tạo thành β-ketoacyl-coenzyme A. Trong trường hợp này, NAD bị khử thành NADH.
- Phân cắt β-ketoacyl-CoA thành acetyl-CoA và acyl-CoA rút gọn 2 carbon. Phản ứng được thực hiện dưới tác dụng của men thiolase. Điều kiện tiên quyết là sự hiện diện của HS-CoA miễn phí.
Sau đó, mọi thứ bắt đầu lại với phản ứng đầu tiên.
Sự lặp lại theo chu kỳ của tất cả các giai đoạn được thực hiện cho đến khi toàn bộ chuỗi cacbon của axit béo được chuyển thành phân tử axetyl-coenzyme A.
Hình thành Acetyl-CoA và ATP trên ví dụ về quá trình oxy hóa palmitoyl-CoA
Vào cuối mỗi chu kỳ, các phân tử acyl-CoA, NADH và FADH2 được hình thành với một lượng duy nhất, và chuỗi acyl-CoA-thioether trở nên ngắn hơn bởi hai nguyên tử. Bằng cách chuyển các điện tử đến chuỗi truyền tải điện, FADH2 cung cấp một phân tử rưỡi ATP, và NADH hai phân tử. Kết quả là, 4 phân tử ATP thu được từ một chu kỳ, không tính năng lượng của acetyl-CoA.
Chuỗi axit palmitic có 16 nguyên tử cacbon. Điều này có nghĩa là ở giai đoạn oxy hóa 7 chu kỳ nên được thực hiện với sự hình thành tám acetyl-CoA, và năng lượng từ NADH và FADH2trong trường hợp này sẽ là 28 phân tử ATP. (4 × 7). Quá trình oxy hóa acetyl-CoA cũng dẫn đến việc hình thành năng lượng, được lưu trữ do các sản phẩm của chu trình Krebs đi vào chuỗi vận chuyển điện.
Tổng sản lượng của các bước oxy hóa và chu trình Krebs
Kết quả của quá trình oxy hóa acetyl-CoA, thu được 10 phân tử ATP. Vì sự dị hóa của palmitoyl-CoA tạo ra 8 acetyl-CoA, năng lượng sẽ là 80 ATP (10 × 8). Nếu bạn thêm điều này vào kết quả của quá trình oxy hóa NADH và FADH2, bạn nhận được 108 phân tử (80 + 28). Từ lượng này, 2 ATP sẽ được trừ đi, thứ đã được dùng để kích hoạt axit béo.
Phương trình cuối cùng cho quá trình oxy hóa axit palmitic sẽ là: palmitoyl-CoA + 16 O2+ 108 Pi + 80 ADP=CoA + 108 ATP + 16 CO 2+ 16 H2O.
Tính toán giải phóng năng lượng
Thải năng lượngvề sự dị hóa của một axit béo cụ thể phụ thuộc vào số lượng đơn vị cacbon trong chuỗi của nó. Số lượng phân tử ATP được tính theo công thức:
[4 (n / 2 - 1) + n / 2 × 10] - 2, trong đó 4 là lượng ATP được tạo ra trong mỗi chu kỳ do NADH và FADH2, (n / 2 - 1) là số chu kỳ, n / 2 × 10 là năng lượng thu được từ quá trình oxy hóa acetyl- CoA, và 2 là chi phí kích hoạt.
Tính năng của phản ứng
Quá trình oxy hóa của các axit béo không bão hòa có một số đặc thù. Do đó, khó khăn của việc oxy hóa các chuỗi có liên kết đôi nằm ở chỗ không thể tiếp xúc với enoyl-CoA-hydratase do chúng ở vị trí cis. Vấn đề này được loại bỏ bởi enoyl-CoA isomerase, do đó liên kết có được cấu hình trans. Kết quả là, phân tử trở nên hoàn toàn giống với sản phẩm của giai đoạn đầu tiên của quá trình oxy hóa beta và có thể trải qua quá trình hydrat hóa. Các vị trí chỉ chứa liên kết đơn bị oxy hóa theo cách tương tự như axit bão hòa.
Đôi khi enoyl-CoA-isomerase không đủ để tiếp tục quá trình. Điều này áp dụng cho các chuỗi có cấu hình cis9-cis12 (liên kết đôi ở nguyên tử cacbon thứ 9 và 12). Ở đây, không chỉ cấu hình là trở ngại, mà còn là vị trí của các liên kết đôi trong chuỗi. Sau đó được điều chỉnh bởi enzyme 2,4-dienoyl-CoA reductase.
Dị hóa các axit béo lẻ
Loại axit này đặc trưng cho hầu hết các loại son có nguồn gốc tự nhiên (tự nhiên). Điều này tạo ra một sự phức tạp nhất định, vì mỗi chu kỳngụ ý rút ngắn một số liên kết chẵn. Vì lý do này, quá trình oxy hóa theo chu kỳ của các axit béo cao hơn của nhóm này tiếp tục cho đến khi xuất hiện hợp chất 5 cacbon như một sản phẩm, hợp chất này bị phân cắt thành axetyl-CoA và propionyl-coenzyme A. Cả hai hợp chất đều đi vào một chu kỳ khác gồm ba phản ứng., do đó succinyl-CoA được hình thành. Chính anh ta là người bước vào chu trình Krebs.
Đặc điểm của quá trình oxy hóa trong peroxisome
Trong peroxisome, quá trình oxy hóa axit béo xảy ra thông qua cơ chế beta tương tự, nhưng không giống với ty thể. Nó cũng bao gồm 4 giai đoạn, đỉnh cao là sự hình thành sản phẩm ở dạng acetyl-CoA, nhưng nó có một số điểm khác biệt chính. Do đó, hydro tách ra ở giai đoạn khử hydro không khôi phục FAD, mà chuyển sang oxy với sự hình thành hydro peroxit. Sau đó ngay lập tức trải qua quá trình phân cắt dưới tác dụng của catalase. Kết quả là, năng lượng đáng lẽ được sử dụng để tổng hợp ATP trong chuỗi hô hấp bị tiêu tán dưới dạng nhiệt.
Sự khác biệt quan trọng thứ hai là một số enzym peroxisome đặc trưng cho một số axit béo ít phong phú hơn và không có trong chất nền ty thể.
Đặc điểm của peroxisome tế bào gan là không có bộ máy enzym của chu trình Krebs. Do đó, kết quả của quá trình oxy hóa beta, các sản phẩm chuỗi ngắn được hình thành, được vận chuyển đến ty thể để oxy hóa.
