ცხიმოვანი მჟავების დაჟანგვა: პროცესი, მახასიათებლები და ფორმულა

2024 ავტორი: Angel Austin | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2023-12-17 05:32

ნებისმიერი ორგანიზმის სიცოცხლის მთავარი პირობა არის ენერგიის უწყვეტი მიწოდება, რომელიც იხარჯება სხვადასხვა უჯრედულ პროცესებზე. ამავდროულად, საკვები ნივთიერებების გარკვეული ნაწილი არ შეიძლება გამოყენებულ იქნას დაუყოვნებლივ, მაგრამ შეიძლება გადაკეთდეს რეზერვებში. ასეთი რეზერვუარის როლს ასრულებენ ცხიმები (ლიპიდები), რომლებიც შედგება გლიცერინისა და ცხიმოვანი მჟავებისგან. ამ უკანასკნელებს უჯრედი საწვავად იყენებს. ამ შემთხვევაში ცხიმოვანი მჟავები იჟანგება CO₂ და H₂O.

ცხიმოვანი მჟავების საფუძვლები

ცხიმოვანი მჟავები არის სხვადასხვა სიგრძის ნახშირბადის ჯაჭვები (4-დან 36 ატომამდე), რომლებიც ქიმიურად კლასიფიცირდება როგორც კარბოქსილის მჟავები. ეს ჯაჭვები შეიძლება იყოს განშტოებული ან განშტოებული და შეიცავდეს სხვადასხვა რაოდენობის ორმაგ ბმებს. თუ ეს უკანასკნელი სრულიად არ არსებობს, ცხიმოვან მჟავებს უწოდებენ გაჯერებულს (ტიპიურია ცხოველური წარმოშობის მრავალი ლიპიდისთვის) და სხვაგვარად -უჯერი. ორმაგი ბმების განლაგების მიხედვით ცხიმოვანი მჟავები იყოფა მონოუჯერიდ და პოლიუჯერიდ.

ჯაჭვების უმეტესობა შეიცავს ნახშირბადის ატომების ლუწი რაოდენობას, რაც განპირობებულია მათი სინთეზის თავისებურებით. თუმცა, არსებობს კავშირები კენტი რაოდენობის ბმულებთან. ამ ორი ტიპის ნაერთების დაჟანგვა ოდნავ განსხვავებულია.

ზოგადი მახასიათებლები

ცხიმოვანი მჟავების დაჟანგვის პროცესი რთული და მრავალეტაპიანია. ის იწყება მათი უჯრედში შეღწევით და სრულდება სასუნთქ ჯაჭვში. ამავდროულად, საბოლოო ეტაპები რეალურად იმეორებს ნახშირწყლების კატაბოლიზმს (კრებსის ციკლი, ტრანსმემბრანული გრადიენტის ენერგიის ტრანსფორმაცია მაკროერგიულ კავშირად). პროცესის საბოლოო პროდუქტებია ATP, CO₂ და წყალი.

ცხიმოვანი მჟავების დაჟანგვა ევკარიოტულ უჯრედში ხორციელდება მიტოქონდრიაში (ლოკალიზაციის ყველაზე დამახასიათებელი ადგილი), პეროქსიზომებში ან ენდოპლაზმურ რეტიკულუმში.

დაჟანგვის ჯიშები (ტიპები)

არსებობს ცხიმოვანი მჟავების დაჟანგვის სამი ტიპი: α, β და ω. ყველაზე ხშირად, ეს პროცესი მიმდინარეობს β- მექანიზმით და ლოკალიზებულია მიტოქონდრიაში. ომეგა გზა არის β- მექანიზმის უმნიშვნელო ალტერნატივა და ხორციელდება ენდოპლაზმურ რეტიკულუმში, ხოლო ალფა მექანიზმი დამახასიათებელია მხოლოდ ერთი ტიპის ცხიმოვანი მჟავისთვის (ფიტანური).

ცხიმოვანი მჟავების დაჟანგვის ბიოქიმია მიტოქონდრიაში

მოხერხებულობისთვის, მიტოქონდრიული კატაბოლიზმის პროცესი პირობითად იყოფა 3 ეტაპად:

• აქტივაცია და ტრანსპორტირება მიტოქონდრიაში;
• ჟანგვა;
• წარმოქმნილი აცეტილ-კოფერმენტ A-ს დაჟანგვა კრებსის ციკლისა და ელექტრო სატრანსპორტო ჯაჭვის მეშვეობით.

აქტივაცია არის მოსამზადებელი პროცესი, რომელიც გარდაქმნის ცხიმოვან მჟავებს ბიოქიმიურ ტრანსფორმაციისთვის ხელმისაწვდომ ფორმად, ვინაიდან ეს მოლეკულები თავად ინერტულია. გარდა ამისა, გააქტიურების გარეშე მათ არ შეუძლიათ შეაღწიონ მიტოქონდრიულ გარსებში. ეს ეტაპი მიმდინარეობს მიტოქონდრიის გარე მემბრანაზე.

სინამდვილეში, დაჟანგვა არის პროცესის მთავარი ნაბიჯი. იგი მოიცავს ოთხ ეტაპს, რის შემდეგაც ცხიმოვანი მჟავა გარდაიქმნება აცეტილ-CoA მოლეკულებად. იგივე პროდუქტი წარმოიქმნება ნახშირწყლების უტილიზაციის დროს, ისე რომ შემდგომი საფეხურები აერობული გლიკოლიზის ბოლო საფეხურების მსგავსია. ატფ-ის წარმოქმნა ხდება ელექტრონის ტრანსპორტირების ჯაჭვში, სადაც ელექტროქიმიური პოტენციალის ენერგია გამოიყენება მაკროერგიული ბმის შესაქმნელად.

ცხიმოვანი მჟავების დაჟანგვის პროცესში აცეტილ-CoA-ს გარდა წარმოიქმნება NADH და FADH მოლეკულებიც₂, რომლებიც ასევე შედიან სასუნთქ ჯაჭვში, როგორც ელექტრონის დონორი. შედეგად, ლიპიდური კატაბოლიზმის მთლიანი ენერგიის გამომუშავება საკმაოდ მაღალია. მაგალითად, პალმიტის მჟავის დაჟანგვა β- მექანიზმით იძლევა 106 ATP მოლეკულას.

გააქტიურება და გადატანა მიტოქონდრიულ მატრიქსში

ცხიმოვანი მჟავები თავისთავად ინერტულია და არ იჟანგება. აქტივაცია მოაქვს მათ ბიოქიმიური ტრანსფორმაციისთვის ხელმისაწვდომ ფორმაში. გარდა ამისა, ეს მოლეკულები ვერ შედიან მიტოქონდრიაში უცვლელი.

გააქტიურების არსი არისცხიმოვანი მჟავის გარდაქმნა მის აცილ-CoA-თიოესტერად, რომელიც შემდგომში განიცდის დაჟანგვას. ამ პროცესს ახორციელებენ სპეციალური ფერმენტები - თიოკინაზები (Acyl-CoA სინთეზები), რომლებიც მიტოქონდრიის გარე მემბრანაზეა მიმაგრებული. რეაქცია მიმდინარეობს 2 ეტაპად, რომელიც დაკავშირებულია ორი ატფ-ის ენერგიის ხარჯვასთან.

გააქტიურებისთვის საჭიროა სამი კომპონენტი:

• ATF;
• HS-CoA;
• Mg²⁺.

პირველ რიგში, ცხიმოვანი მჟავა რეაგირებს ATP-თან და წარმოქმნის აცილადენილატს (შუალედს). ის, თავის მხრივ, რეაგირებს HS-CoA-სთან, რომლის თიოლის ჯგუფი ანაცვლებს AMP-ს და ქმნის თიოეთერულ კავშირს კარბოქსილის ჯგუფთან. შედეგად წარმოიქმნება ნივთიერება acyl-CoA - ცხიმოვანი მჟავის წარმოებული, რომელიც ტრანსპორტირდება მიტოქონდრიაში.

ტრანსპორტირება მიტოქონდრიაში

ამ საფეხურს ეწოდება ტრანსესტერიფიკაცია კარნიტინით. აცილ-CoA-ს გადატანა მიტოქონდრიულ მატრიქსში ხდება ფორების მეშვეობით კარნიტინისა და სპეციალური ფერმენტების - კარნიტინის აცილტრანსფერაზების მონაწილეობით.

მემბრანებში ტრანსპორტირებისთვის, CoA იცვლება კარნიტინით, რათა წარმოიქმნას აცილ-კარნიტინი. ეს ნივთიერება ტრანსპორტირდება მატრიქსში აცილ-კარნიტინის/კარნიტინის გადამტანის გაადვილებული დიფუზიით.

მიტოქონდრიის შიგნით ხდება საპირისპირო რეაქცია, რომელიც შედგება ბადურის გამოყოფისგან, რომელიც კვლავ ხვდება მემბრანებში და აცილ-CoA-ს აღდგენას (ამ შემთხვევაში გამოიყენება "ადგილობრივი" კოენზიმი A და არა ის, ვისთანაც კავშირი ჩამოყალიბდააქტივაციის ეტაპზე).

ცხიმოვანი მჟავების დაჟანგვის ძირითადი რეაქციები β- მექანიზმით

ცხიმოვანი მჟავების ენერგიის გამოყენების უმარტივესი ტიპია ჯაჭვების β-დაჟანგვა, რომლებსაც არ აქვთ ორმაგი ბმები, რომლებშიც ნახშირბადის ერთეულების რაოდენობა ლუწია. ამ პროცესის სუბსტრატი, როგორც ზემოთ აღინიშნა, არის აცილის კოენზიმი A.

ცხიმოვანი მჟავების β-დაჟანგვის პროცესი შედგება 4 რეაქციისგან:

1. დეჰიდროგენაცია არის წყალბადის გაყოფა β-ნახშირბადის ატომიდან ორმაგი ბმის წარმოქმნით α და β-პოზიციებში განლაგებულ ჯაჭვის რგოლებს შორის (პირველი და მეორე ატომები). შედეგად წარმოიქმნება ენოილ-CoA. რეაქციის ფერმენტი არის აცილ-CoA დეჰიდროგენაზა, რომელიც მოქმედებს კოენზიმ FAD-თან კომბინაციაში (ეს უკანასკნელი მცირდება FADH2-მდე).
2. ჰიდრატაცია არის წყლის მოლეკულის დამატება ენოილ-CoA-ში, რის შედეგადაც წარმოიქმნება L-β-ჰიდროქსიაცილ-CoA. ახორციელებს ენოილ-CoA-ჰიდრატაზას.
3. დეჰიდროგენაცია - წინა რეაქციის პროდუქტის დაჟანგვა NAD-დამოკიდებული დეჰიდროგენაზას მიერ β-კეტოაცილ-კოენზიმის A წარმოქმნით. ამ შემთხვევაში NAD მცირდება NADH-მდე.
4. β-კეტოაცილ-CoA-ს დაშლა აცეტილ-CoA-მდე და 2-ნახშირბადით შემცირებულ აცილ-CoA-მდე. რეაქცია ტარდება თიოლაზას მოქმედებით. წინაპირობაა უფასო HS-CoA-ს არსებობა.

მერე ყველაფერი თავიდან იწყება პირველი რეაქციით.

ყველა ეტაპის ციკლური გამეორება ტარდება მანამ, სანამ ცხიმოვანი მჟავის მთელი ნახშირბადის ჯაჭვი არ გარდაიქმნება აცეტილ-კოენზიმ A-ს მოლეკულებად.

აცეტილ-CoA და ATP წარმოქმნა პალმიტოილ-CoA დაჟანგვის მაგალითზე

თითოეული ციკლის ბოლოს, აცილ-CoA, NADH და FADH2 მოლეკულები წარმოიქმნება ერთ რაოდენობაში და აცილ-CoA-თიოეთერის ჯაჭვი უფრო მოკლე ხდება ორი ატომით. ელექტრონების ელექტროტრანსპორტის ჯაჭვში გადატანით FADH2 იძლევა ერთნახევარ ATP მოლეკულას, ხოლო NADH ორს. შედეგად, 4 ATP მოლეკულა მიიღება ერთი ციკლიდან, აცეტილ-CoA-ს ენერგეტიკული გამოსავლით არ ჩავთვლით.

პალმიტის მჟავას ჯაჭვს აქვს 16 ნახშირბადის ატომი. ეს ნიშნავს, რომ დაჟანგვის ეტაპზე უნდა ჩატარდეს 7 ციკლი რვა აცეტილ-CoA-ს წარმოქმნით და ენერგიის გამოსავალი NADH-დან და FADH₂ ამ შემთხვევაში იქნება 28 ATP მოლეკულა. (4×7). აცეტილ-CoA-ს დაჟანგვა ასევე მიდის ენერგიის წარმოქმნამდე, რომელიც ინახება კრებსის ციკლის პროდუქტების ელექტროსატრანსპორტო ჯაჭვში შესვლის შედეგად.

დაჟანგვის საფეხურების ჯამური გამოსავალი და კრებსის ციკლი

აცეტილ-CoA-ს დაჟანგვის შედეგად მიიღება ატფ-ის 10 მოლეკულა. ვინაიდან პალმიტოილ-CoA-ს კატაბოლიზმი იძლევა 8 აცეტილ-CoA-ს, ენერგიის გამოსავალი იქნება 80 ATP (10×8). თუ ამას დაუმატებთ NADH და FADH₂ დაჟანგვის შედეგს, მიიღებთ 108 მოლეკულას (80+28). ამ რაოდენობას უნდა გამოკლდეს 2 ატფ, რომელიც წავიდა ცხიმოვანი მჟავის გასააქტიურებლად.

პალმიტის მჟავის დაჟანგვის საბოლოო განტოლება იქნება: პალმიტოილ-CoA + 16 O₂ + 108 Pi + 80 ADP=CoA + 108 ATP + 16 CO2 _{+ 16 H}2_O.

ენერგიის გამოყოფის გაანგარიშება

ენერგეტიკული გამონაბოლქვიკონკრეტული ცხიმოვანი მჟავის კატაბოლიზმი დამოკიდებულია მის ჯაჭვში ნახშირბადის ერთეულების რაოდენობაზე. ATP მოლეკულების რაოდენობა გამოითვლება ფორმულით:

[4(n/2 - 1) + n/2×10] - 2, სადაც 4 არის ATP-ის რაოდენობა, რომელიც წარმოიქმნება ყოველი ციკლის დროს NADH-ისა და FADH2-ის გამო, (n/2 - 1) არის ციკლების რაოდენობა, n/2×10 არის ენერგიის გამოსავალი აცეტილის დაჟანგვისგან. CoA და 2 არის აქტივაციის ღირებულება.

რეაქციის თავისებურებები

უჯერი ცხიმოვანი მჟავების დაჟანგვას აქვს გარკვეული თავისებურებები. ამრიგად, ორმაგი ბმებით ჟანგვის ჯაჭვების სირთულე მდგომარეობს იმაში, რომ ეს უკანასკნელი ვერ ექვემდებარება ენოილ-CoA-ჰიდრატაზას იმის გამო, რომ ისინი ცის მდგომარეობაში არიან. ეს პრობლემა აღმოფხვრილია ენოილ-CoA იზომერაზას მიერ, რის გამოც ბმა იძენს ტრანს კონფიგურაციას. შედეგად, მოლეკულა ხდება ბეტა-ჟანგვის პირველი ეტაპის პროდუქტის სრულიად იდენტური და შეიძლება გაიაროს დატენიანება. ადგილები, რომლებიც შეიცავს მხოლოდ ცალკეულ ბმებს, იჟანგება ისევე, როგორც გაჯერებული მჟავები.

ზოგჯერ ენოილ-CoA-იზომერაზა არ არის საკმარისი პროცესის გასაგრძელებლად. ეს ეხება ჯაჭვებს, რომლებშიც არის cis9-cis12 კონფიგურაცია (ორმაგი ბმები მე-9 და მე-12 ნახშირბადის ატომებზე). აქ არა მხოლოდ კონფიგურაცია არის შემაფერხებელი, არამედ ორმაგი ბმების პოზიცია ჯაჭვში. ეს უკანასკნელი სწორდება ფერმენტის 2,4-დიენოილ-CoA რედუქტაზას მიერ.

კენტი ცხიმოვანი მჟავების კატაბოლიზმი

ამ ტიპის მჟავა ტიპიურია ბუნებრივი (ბუნებრივი) წარმოშობის ლიპიდების უმეტესობისთვის. ეს ქმნის გარკვეულ სირთულეს, რადგან თითოეული ციკლიგულისხმობს შემცირებას ლუწი რაოდენობის ბმულებით. ამ მიზეზით, ამ ჯგუფის უმაღლესი ცხიმოვანი მჟავების ციკლური დაჟანგვა გრძელდება 5-ნახშირბადოვანი ნაერთის პროდუქტად გამოჩენამდე, რომელიც იშლება აცეტილ-CoA-სა და პროპიონილ-კოენზიმ A-ში. ორივე ნაერთი შედის სამი რეაქციის სხვა ციკლში. რის შედეგადაც წარმოიქმნება სუქცინილ-CoA. სწორედ ის შედის კრებსის ციკლში.

დაჟანგვის თავისებურებები პეროქსიზომებში

პეროქსიზომებში ცხიმოვანი მჟავების დაჟანგვა ხდება ბეტა მექანიზმის საშუალებით, რომელიც მსგავსია, მაგრამ არა იდენტური, მიტოქონდრიული. იგი ასევე შედგება 4 ეტაპისგან, რომელიც მთავრდება პროდუქტის ფორმირებით აცეტილ-CoA-ს სახით, მაგრამ მას აქვს რამდენიმე ძირითადი განსხვავება. ამრიგად, წყალბადის გაყოფა დეჰიდროგენაციის ეტაპზე არ აღადგენს FAD-ს, მაგრამ გადადის ჟანგბადში წყალბადის ზეჟანგის წარმოქმნით. ეს უკანასკნელი კატალაზას მოქმედებით დაუყოვნებლივ განიცდის გახლეჩვას. შედეგად, ენერგია, რომელიც შეიძლებოდა ყოფილიყო გამოყენებული ატფ-ის სინთეზისთვის სასუნთქ ჯაჭვში, იშლება სითბოს სახით.

მეორე მნიშვნელოვანი განსხვავება ისაა, რომ ზოგიერთი პეროქსისომის ფერმენტი სპეციფიკურია ზოგიერთი ნაკლებად უხვი ცხიმოვანი მჟავებისთვის და არ არის წარმოდგენილი მიტოქონდრიულ მატრიქსში.

ღვიძლის უჯრედების პეროქსიზომების თავისებურება ის არის, რომ არ არსებობს კრებსის ციკლის ფერმენტული აპარატი. ამიტომ ბეტა-ჟანგვის შედეგად წარმოიქმნება მოკლე ჯაჭვის პროდუქტები, რომლებიც მიტოქონდრიაში გადაიგზავნება დაჟანგვისთვის.