Herhangi bir organizmanın yaşamının ana koşulu, çeşitli hücresel süreçlere harcanan sürekli enerji arzıdır. Aynı zamanda, besin bileşiklerinin belirli bir kısmı hemen kullanılamaz, ancak rezervlere dönüştürülebilir. Böyle bir rezervuarın rolü, gliserol ve yağ asitlerinden oluşan yağlar (lipidler) tarafından gerçekleştirilir. İkincisi, hücre tarafından yakıt olarak kullanılır. Bu durumda, yağ asitleri CO2 ve H2O.
'a oksitlenir.
Yağ asidi temelleri
Yağ asitleri, kimyasal olarak karboksilik asitler olarak sınıflandırılan çeşitli uzunluklarda (4 ila 36 atom) karbon zincirleridir. Bu zincirler dallanmış veya dallanmamış olabilir ve farklı sayıda çift bağ içerir. İkincisi tamamen yoksa, yağ asitlerine doymuş (hayvansal kaynaklı birçok lipid için tipik) denir ve aksi takdirde -doymamış. Çift bağların düzenine göre, yağ asitleri tekli doymamış ve çoklu doymamış olarak ikiye ayrılır.
Çoğu zincir, sentezlerinin özelliğinden dolayı çift sayıda karbon atomu içerir. Ancak, tek sayıda bağlantıya sahip bağlantılar vardır. Bu iki tür bileşiğin oksidasyonu biraz farklıdır.
Genel özellikler
Yağ asidi oksidasyonu süreci karmaşık ve çok aşamalıdır. Hücreye girmeleriyle başlar ve solunum zincirinde biter. Aynı zamanda, son aşamalar aslında karbonhidratların katabolizmasını tekrarlar (Krebs döngüsü, transmembran gradyan enerjisinin makroerjik bir bağa dönüşümü). Sürecin son ürünleri ATP, CO2 ve sudur.
Ökaryotik bir hücrede yağ asitlerinin oksidasyonu mitokondride (en karakteristik lokalizasyon bölgesi), peroksizomlarda veya endoplazmik retikulumda gerçekleştirilir.
Oksidasyon çeşitleri (türleri)
Üç tür yağ asidi oksidasyonu vardır: α, β ve ω. Çoğu zaman, bu süreç β-mekanizması ile ilerler ve mitokondride lokalizedir. Omega yolu, β mekanizmasına küçük bir alternatiftir ve endoplazmik retikulumda gerçekleştirilir, alfa mekanizması ise yalnızca bir tür yağ asidinin (fitanik) özelliğidir.
Mitokondride yağ asidi oksidasyonunun biyokimyası
Kolaylık olması için mitokondriyal katabolizma süreci geleneksel olarak 3 aşamaya ayrılır:
- aktivasyon ve mitokondriye taşıma;
- oksidasyon;
- oluşturulan asetil-koenzim A'nın Krebs döngüsü ve elektrik taşıma zinciri yoluyla oksidasyonu.
Aktivasyon, bu moleküllerin kendileri inert olduğundan, yağ asitlerini biyokimyasal dönüşümler için uygun bir forma dönüştüren bir hazırlık sürecidir. Ayrıca aktivasyon olmadan mitokondriyal zarlara nüfuz edemezler. Bu aşama mitokondrinin dış zarında gerçekleşir.
Aslında, oksidasyon bu süreçte önemli bir adımdır. Yağ asidinin Asetil-CoA moleküllerine dönüştürüldüğü dört aşama içerir. Aynı ürün, karbonhidratların kullanımı sırasında oluşur, böylece sonraki adımlar, aerobik glikolizin son adımlarına benzer. ATP oluşumu, elektrokimyasal potansiyelin enerjisinin makroerjik bir bağ oluşturmak için kullanıldığı elektron taşıma zincirinde meydana gelir.
Yağ asidi oksidasyonu sürecinde, Asetil-CoA'ya ek olarak, solunum zincirine elektron verici olarak giren NADH ve FADH molekülleri de oluşur2. Sonuç olarak, lipid katabolizmasının toplam enerji çıkışı oldukça yüksektir. Örneğin, palmitik asidin β-mekanizması ile oksidasyonu 106 ATP molekülü verir.
Aktivasyon ve mitokondriyal matrise transfer
Yağ asitlerinin kendileri inerttir ve oksitlenemezler. Aktivasyon onları biyokimyasal dönüşümler için uygun bir forma getirir. Ayrıca bu moleküller mitokondriye değişmeden giremezler.
Aktivasyonun özü şudur:bir yağ asidinin, daha sonra oksidasyona uğrayan Asil-CoA-tioesterine dönüştürülmesi. Bu işlem, mitokondrinin dış zarına bağlı özel enzimler - tiyokinazlar (Asil-CoA sentetazları) tarafından gerçekleştirilir. Reaksiyon, iki ATP'nin enerji harcamasıyla bağlantılı olarak 2 aşamada ilerler.
Etkinleştirme için üç bileşen gereklidir:
- ATF;
- HS-CoA;
- Mg2+.
İlk olarak, yağ asidi ATP ile reaksiyona girerek asiladenilat (bir ara ürün) oluşturur. Bu da, tiyol grubu AMP'nin yerini alan HS-CoA ile reaksiyona girerek karboksil grubu ile bir tiyoeter bağı oluşturur. Sonuç olarak, mitokondriye taşınan bir yağ asidi türevi olan asil-CoA maddesi oluşur.
Mitokondriye ulaşım
Bu adıma karnitin ile transesterifikasyon denir. Açil-CoA'nın mitokondriyal matrise transferi, karnitin ve özel enzimler - karnitin açiltransferazların katılımıyla gözenekler yoluyla gerçekleştirilir.
Zarlar arasında taşınmak için CoA, açil-karnitin oluşturmak üzere karnitin ile değiştirilir. Bu madde matrikse açil-karnitin/karnitin taşıyıcı tarafından kolaylaştırılmış difüzyonla taşınır.
Mitokondri içinde, tekrar zarlara giren retinanın ayrılmasından ve açil-CoA'nın restorasyonundan (bu durumda, "yerel" koenzim A kullanılır ve bağın kurulduğu kişi değilaktivasyon aşamasında).
β-mekanizması ile yağ asidi oksidasyonunun ana reaksiyonları
Yağ asitlerinin en basit enerji kullanımı türü, çift bağları olmayan, karbon birimlerinin sayısının çift olduğu zincirlerin β-oksidasyonudur. Bu işlemin substratı, yukarıda belirtildiği gibi, asil koenzim A'dır.
Yağ asitlerinin β-oksidasyon süreci 4 reaksiyondan oluşur:
- Dehidrojenasyon, α ve β konumlarında (birinci ve ikinci atomlar) bulunan zincir bağlantıları arasında bir çift bağ oluşumuyla bir β-karbon atomundan hidrojenin ayrılmasıdır. Sonuç olarak, enoil-CoA oluşur. Reaksiyon enzimi, koenzim FAD (ikincisi FADH2'ye indirgenir) ile kombinasyon halinde hareket eden açil-CoA dehidrojenazdır.
- Hidrasyon, bir su molekülünün enoil-CoA'ya eklenmesidir ve L-β-hidroksiasil-CoA oluşumuyla sonuçlanır. enoyl-CoA-hidrataz tarafından gerçekleştirilir.
- Dehidrojenasyon - önceki reaksiyonun ürününün NAD'a bağlı dehidrojenaz tarafından β-ketoasil-koenzim A oluşumu ile oksidasyonu. Bu durumda, NAD NADH'ye indirgenir.
- β-ketoasil-CoA'nın asetil-CoA'ya ve 2 karbonlu kıs altılmış bir asil-CoA'ya bölünmesi. Reaksiyon, tiyolazın etkisi altında gerçekleştirilir. Ön koşul, ücretsiz HS-CoA'nın varlığıdır.
Sonra her şey ilk tepkiyle yeniden başlar.
Bütün aşamaların döngüsel tekrarı, yağ asidinin tüm karbon zinciri asetil-koenzim A moleküllerine dönüşene kadar gerçekleştirilir.
Asetil-CoA ve ATP oluşumu, palmitoil-CoA oksidasyonu örneğinde
Her döngünün sonunda tek bir miktarda açil-CoA, NADH ve FADH2 molekülleri oluşur ve açil-CoA-tiyoeter zinciri iki atom kadar kısalır. Elektronları elektrotransport zincirine aktararak, FADH2 bir buçuk ATP molekülü ve NADH iki molekül verir. Sonuç olarak, asetil-CoA'nın enerji verimini hesaba katmadan bir döngüden 4 ATP molekülü elde edilir.
Pamitik asit zincirinde 16 karbon atomu bulunur. Bu, oksidasyon aşamasında sekiz asetil-CoA oluşumu ile 7 döngünün gerçekleştirilmesi gerektiği ve bu durumda NADH ve FADH2'tan enerji veriminin 28 ATP molekülü olacağı anlamına gelir. (4×7). Asetil-CoA'nın oksidasyonu, Krebs döngüsünün ürünlerinin elektrik taşıma zincirine girmesi sonucunda depolanan enerji oluşumuna da gider.
Oksidasyon adımları ve Krebs döngüsünün toplam verimi
Asetil-CoA'nın oksidasyonu sonucunda 10 ATP molekülü elde edilir. Palmitoil-CoA'nın katabolizması 8 asetil-CoA ürettiğinden, enerji verimi 80 ATP (10x8) olacaktır. Bunu NADH ve FADH2 oksidasyonunun sonucuna eklerseniz, 108 molekül elde edersiniz (80+28). Bu miktardan, yağ asidini aktive etmeye giden 2 ATP çıkarılmalıdır.
Pamitik asidin oksidasyonu için son denklem şöyle olacaktır: palmitoil-CoA + 16 O2 + 108 Pi + 80 ADP=CoA + 108 ATP + 16 CO2 + 16 H2O.
Enerji salınımının hesaplanması
Enerji egzozuBelirli bir yağ asidinin katabolizması, zincirindeki karbon birimlerinin sayısına bağlıdır. ATP moleküllerinin sayısı şu formülle hesaplanır:
[4(n/2 - 1) + n/2×10] - 2, burada 4, NADH ve FADH2 nedeniyle her döngü sırasında üretilen ATP miktarıdır, (n/2 - 1) döngü sayısıdır, n/2×10 asetil- oksidasyonundan elde edilen enerji verimidir. CoA ve 2 aktivasyon maliyetidir.
Reaksiyonların özellikleri
Doymamış yağ asitlerinin oksidasyonunun bazı özellikleri vardır. Bu nedenle, çift bağlı zincirleri oksitlemenin zorluğu, zincirlerin cis konumunda olmaları nedeniyle enoil-CoA-hidrataza maruz bırakılamaması gerçeğinde yatmaktadır. Bu sorun, bağın bir trans konfigürasyonu kazanması nedeniyle enoil-CoA izomeraz tarafından ortadan kaldırılır. Sonuç olarak, molekül beta oksidasyonunun ilk aşamasının ürünüyle tamamen özdeş hale gelir ve hidrasyona uğrayabilir. Yalnızca tekli bağlar içeren siteler, doymuş asitlerle aynı şekilde oksitlenir.
Bazen enoil-CoA-izomeraz işlemi devam ettirmek için yeterli değildir. Bu, cis9-cis12 konfigürasyonunun mevcut olduğu zincirler için geçerlidir (9. ve 12. karbon atomlarındaki çift bağlar). Burada sadece konfigürasyon değil, aynı zamanda zincirdeki çift bağların konumu da bir engeldir. İkincisi, 2,4-dienoil-CoA redüktaz enzimi tarafından düzeltilir.
Tek yağ asitlerinin katabolizması
Bu asit türü, doğal (doğal) kaynaklı çoğu lipid için tipiktir. Bu, belirli bir karmaşıklık yaratır, çünkü her döngüçift sayıda bağlantı ile kıs altma anlamına gelir. Bu nedenle, bu grubun daha yüksek yağ asitlerinin siklik oksidasyonu, ürün olarak asetil-CoA ve propionil-koenzim A'ya ayrılan 5 karbonlu bir bileşiğin ortaya çıkmasına kadar devam eder. Her iki bileşik de üç reaksiyondan oluşan başka bir döngüye girer., bunun sonucunda süksinil-CoA oluşur. Krebs döngüsüne giren odur.
Peroksizomlarda oksidasyonun özellikleri
Peroksizomlarda yağ asidi oksidasyonu, mitokondriye benzer, ancak aynı olmayan bir beta mekanizması yoluyla gerçekleşir. Aynı zamanda, asetil-CoA formunda ürünün oluşumuyla sonuçlanan 4 aşamadan oluşur, ancak birkaç önemli farkı vardır. Bu nedenle, hidrojen giderme aşamasında ayrılan hidrojen, FAD'yi geri yüklemez, ancak hidrojen peroksit oluşumu ile oksijene geçer. İkincisi, katalazın etkisi altında hemen bölünmeye uğrar. Sonuç olarak, solunum zincirinde ATP'yi sentezlemek için kullanılmış olabilecek enerji, ısı olarak dağılır.
İkinci önemli fark, bazı peroksizom enzimlerinin daha az bol bulunan belirli yağ asitlerine özgü olması ve mitokondriyal matriste bulunmamasıdır.
Karaciğer hücrelerinin peroksizomlarının özelliği, Krebs döngüsünün enzimatik aparatının olmamasıdır. Bu nedenle, beta oksidasyonu sonucunda oksidasyon için mitokondriye taşınan kısa zincirli ürünler oluşur.
