כדי להמיר את האנרגיה הכלולה בחומצות השומן לאנרגיה של קשרי ATP, ישנו מסלול מטבולי לחמצון חומצות שומן ל-CO 2 ולמים, הקשור קשר הדוק למחזור החומצה הטרי-קרבוקסילית ולשרשרת הנשימה. הנתיב הזה נקרא חמצון β, כי אטום הפחמן השלישי של חומצת השומן (במיקום β) מתחמצן לקבוצת קרבוקסיל, בעוד שקבוצת האצטיל, הכוללת C 1 ו- C 2 של חומצת השומן המקורית, מתבקעת מהחומצה.
סכימה יסודית של חמצון β
תגובות חמצון β מתרחשות ב מיטוכונדריהרוב תאי הגוף (למעט תאי עצב). לצורך חמצון, משתמשים בחומצות שומן הנכנסות לציטוזול מהדם או מופיעות במהלך ליפוליזה של ה-TAGs התוך-תאיים שלהן. המשוואה הכוללת לחמצון חומצה פלמיטית היא כדלקמן:
Palmitoyl-SCoA + 7FAD + 7NAD + + 7H 2 O + 7HS-KoA → 8Acetyl-SCoA + 7FADH 2 + 7NADH
שלבים של חמצון חומצות שומן
1. לפני חדירת המטריצה המיטוכונדריאלית ומתחמצן, חומצת השומן חייבת לְהַפְעִילבציטוזול. זה נעשה על ידי הצמדת קו-אנזים A אליו ליצירת acyl-SCoA. Acyl-SCoA היא תרכובת באנרגיה גבוהה. הבלתי הפיך של התגובה מושגת על ידי הידרוליזה של דיפוספט לשתי מולקולות של חומצה זרחתית.
סינתזות Acyl-SCoA ממוקמות ברטיקולום האנדופלזמי, על הממברנה החיצונית של המיטוכונדריה ובתוכם. קיים מגוון רחב של סינתזות ספציפיות לחומצות שומן שונות.
תגובה להפעלת חומצות שומן
2. Acyl-SCoA אינו מסוגל לעבור דרך הממברנה המיטוכונדריאלית, ולכן יש דרך להעביר אותו בשילוב עם חומר דמוי ויטמין קרניטין (ויטמין B11). הממברנה החיצונית של המיטוכונדריה מכילה אנזים קרניטין אצילטרנספראז I.
הובלה תלויה קרניטין של חומצות שומן לתוך המיטוכונדריה
קרניטין מסונתז בכבד ובכליות ולאחר מכן מועבר לאיברים אחרים. ב תוך רחמיתקופה ובתוך שנים מוקדמותערך החיים של קרניטין לגוף גבוה במיוחד. אספקת אנרגיה של מערכת העצבים של ילדיםהאורגניזם, ובמיוחד, המוח מתבצע עקב שני תהליכים מקבילים: חמצון תלוי קרניטין של חומצות שומן וחמצון אירובי של גלוקוז. קרניטין הכרחי לצמיחת המוח וחוט השדרה, לאינטראקציה של כל חלקי מערכת העצבים האחראים על התנועה והאינטראקציה של השרירים. ישנם מחקרים הקושרים חוסר בקרניטין שיתוק מוחיןואת התופעה מוות בעריסה".
תינוקות, פגים ותינוקות בתת משקל רגישים במיוחד למחסור בקרניטין. המאגרים האנדוגניים שלהם מתרוקנים במהירות במצבי לחץ שונים (מחלות זיהומיות, הפרעות במערכת העיכול, הפרעות האכלה). הביוסינתזה של קרניטין אינה מספקת, והצריכה ממזונות רגילים אינה מסוגלת לשמור על רמות מספיקות בדם וברקמות.
3. לאחר הקישור לקרניטין, חומצת השומן מועברת על פני הממברנה על ידי טרנסלוקאז. כאן, בצד הפנימי של הממברנה, האנזים carnitine acyltransferase II יוצר שוב acyl-SCoA, אשר נכנס למסלול החמצון β.
4. לעבד את עצמו חמצון βמורכב מ-4 תגובות שחוזרות על עצמן באופן מחזורי. הם ברצף חִמצוּן(acyl-SCoA dehydrogenase), הִידרָצִיָה(אנויל-SCoA-hydratase) ושוב חִמצוּןאטום פחמן שלישי (hydroxyacyl-SCoA dehydrogenase). בתגובה האחרונה, טרנספראז, אצטיל-SCoA מבוקע מחומצת השומן. HS-CoA מחובר לחומצת השומן הנותרת (בשני פחמנים מקוצרים), והיא חוזרת לתגובה הראשונה. הכל חוזר על עצמו עד שנוצרים שני אצטיל-SCoA במחזור האחרון.
רצף התגובות של חמצון β של חומצות שומן
חישוב מאזן האנרגיה של חמצון β
בעבר, בעת חישוב יעילות החמצון, מקדם P/O עבור NADH נלקח שווה ל-3.0, עבור FADH 2 - 2.0.
על פי נתונים מודרניים, הערך של מקדם P / O עבור NADH מתאים ל-2.5, עבור FADH 2 - 1.5.
בעת חישוב כמות ה-ATP שנוצר במהלך חמצון β של חומצות שומן, יש צורך לקחת בחשבון:
- כמות האצטיל-SCoA שנוצרת נקבעת על ידי החלוקה הרגילה של מספר אטומי הפחמן בחומצת השומן ב-2.
- מספר מחזורי חמצון β. קל לקבוע את מספר מחזורי החמצון ב-β בהתבסס על הרעיון של חומצת שומן כשרשרת של שתי יחידות פחמן. מספר ההפסקות בין יחידות מתאים למספר מחזורי החמצון ב-β. ניתן לחשב את אותו ערך באמצעות הנוסחה (n / 2 -1), כאשר n הוא מספר אטומי הפחמן בחומצה.
- מספר הקשרים הכפולים בחומצת שומן. בתגובה הראשונה של חמצון β, היווצרות של קשר כפול מתרחשת בהשתתפות FAD. אם כבר יש קשר כפול בחומצת השומן, אז הצורך בתגובה זו נעלם ולא נוצר FADH 2. כמות ה-FADH 2 שלא התקבל תואמת את מספר הקשרים הכפולים. שאר התגובות של המחזור עוברות ללא שינויים.
- כמות אנרגיית ה-ATP המושקעת בהפעלה (תמיד מתאימה לשני קשרים מאקרו-אירגיים).
דוגמא. חמצון של חומצה פלמיטית
- מכיוון שיש 16 אטומי פחמן, במהלך חמצון β, 8 מולקולות של אצטיל-SCoA. האחרון נכנס ל-TCA, במהלך החמצון שלו בסיבוב אחד של המחזור, נוצרות 3 מולקולות NADH (7.5 ATP), מולקולת FADH 2 (1.5 ATP) ומולקולת GTP אחת, המקבילה ל-10 מולקולות ATP. אז, 8 מולקולות של אצטיל-SCoA יספקו היווצרות של 8 × 10 = 80 מולקולות ATP.
- לחומצה פלמיטית מספר מחזורי החמצון β הוא 7. בכל מחזור נוצרות מולקולת FADH 2 אחת (1.5 ATP) ומולקולת NADH אחת (2.5 ATP). נכנסים לשרשרת הנשימה, בסך הכל הם "יתנו" 4 מולקולות ATP. כך, ב-7 מחזורים, נוצרות 7 × 4 = 28 מולקולות ATP.
- קשרים כפולים בחומצה פלמיטית לא.
- מולקולה אחת של ATP הולכת להפעיל את חומצת השומן, אשר, לעומת זאת, עוברת הידרוליזה ל-AMP, כלומר, היא מתבזבזת 2 קשרים מאקרו-אירגייםאוֹ שני ATP.
- לפיכך, לסיכום, אנו מקבלים 80+28-2 =106 מולקולות ATP נוצרות במהלך חמצון של חומצה פלמיטית.
חמצון של חומצות שומן מתרחש בכבד, בכליות, בשרירי השלד והלב, ברקמת השומן.
F. Knoop הציע שהחמצון של מולקולת חומצת שומן ברקמות הגוף מתרחש בחמצון b. כתוצאה מכך, שברי שני פחמן מתפצלים ממולקולת חומצת השומן מהצד של קבוצת הקרבוקסיל. תהליך החמצון b של חומצות שומן מורכב מהשלבים הבאים:
הפעלת חומצות שומן.כמו השלב הראשון של גליקוליזה של סוכר, לפני חמצון b, חומצות שומן עוברות הפעלה. תגובה זו מתרחשת על פני השטח החיצוניים של הממברנה המיטוכונדריאלית בהשתתפות יוני ATP, קו-אנזים A (HS-CoA) ו-Mg 2+. התגובה מזורזת על ידי סינתזה של acyl-CoA:
כתוצאה מהתגובה נוצר acyl-CoA, שהיא הצורה הפעילה של חומצת השומן.
הובלה של חומצות שומן למיטוכונדריה.לצורה הקו-אנזימטית של חומצות שומן, בדיוק כמו חומצות שומן חופשיות, אין את היכולת לחדור לתוך המיטוכונדריה, שם למעשה מתרחש החמצון שלהן; קרניטין (g-trimethylamino-b-hydroxybutyrate) משמש כנשא של שומן פעיל חומצות דרך הממברנה המיטוכונדריאלית הפנימית.):
לאחר מעבר אצילקרניטין דרך הממברנה המיטוכונדריאלית, מתרחשת התגובה ההפוכה - פירוק אצילקרניטין בהשתתפות HS-CoA וקרניטין אצילטרנספראז מיטוכונדריאלי:
Acyl-CoA במיטוכונדריה עובר תהליך של חימצון b.
מסלול חמצון זה קשור להוספת אטום חמצן לאטום הפחמן של חומצת השומן הנמצא במיקום b:
במהלך חמצון b, שברי שני פחמן בצורת אצטיל-CoA מתפצלים ברצף מקצה הקרבוקסיל של שרשרת הפחמן של חומצת השומן ושרשרת חומצות השומן מתקצרת בהתאם:
במטריקס המיטוכונדריאלי, acyl-CoA מתפרק כתוצאה מרצף חוזר של ארבע תגובות (איור 8).
1) חמצון בהשתתפות acyl-CoA dehydrogenase (דהידרוגנאז תלוי FAD);
2) הידרציה מזורזת על ידי enoyl-CoA hydratase;
3) החמצון השני בפעולת 3-hydroxyacetyl-CoA dehydrogenase (דהידרוגנאז תלוי NAD);
4) תיוליזה בהשתתפות אצטיל-CoA acyltransferase.
השילוב של ארבעת רצפי התגובות הללו הוא סיבוב אחד של חמצון חומצת שומן b (ראה איור 8).
האצטיל-CoA המתקבל עובר חמצון במחזור קרבס, ואצטיל-CoA, המקוצר בשני אטומי פחמן, עובר שוב ושוב את כל הנתיב של חמצון b עד להיווצרות של butyryl-CoA (תרכובת 4 פחמן), ב- השלב האחרון של חמצון b הוא מתפרק לשתי מולקולות של אצטיל-CoA.
במהלך החמצון של חומצת שומן המכילה n אטומי פחמן, מתרחש n / 2-1 מחזור של חימצון b (כלומר, מחזור אחד פחות מ n / 2, שכן במהלך החמצון של butyryl-CoA, שתי מולקולות של אצטיל-CoA מיד טופס ) ותקבל n/2 מולקולות אצטיל-CoA בסך הכל.
לדוגמה, במהלך החמצון של חומצה פלמיטית (C 16), חוזרים על 16/2-1=7 מחזורים של חימצון b ונוצרות 16/2=8 מולקולות אצטיל-CoA.
איור 8 - תכנית חימצון b של חומצות שומן
איזון אנרגיה.עם כל מחזור של חמצון b, נוצרת מולקולת FADH 2 אחת (ראה איור 8; תגובה 1) ומולקולת NADH + H + אחת (תגובה 3). האחרונים, בתהליך החמצון של שרשרת הנשימה והזרחון הנלווה לכך, נותנים: FADH 2 - 2 מולקולות ATP ו-NADH + H + - 3 מולקולות ATP, כלומר. בסך הכל נוצרות 5 מולקולות ATP במחזור אחד. כאשר חומצה פלמיטית מתחמצנת, נוצרות 5 * 7 \u003d 35 מולקולות ATP. בתהליך של חמצון b של חומצה פלמיטית נוצרות 8 מולקולות אצטיל-CoA, שכל אחת מהן, "נשרף" במחזור קרבס, נותנת 12 מולקולות ATP, ו-8 מולקולות יתנו 12*8 = 96 מולקולות ATP.
כך, בסך הכל, עם חמצון b מוחלט של חומצה פלמיטית, נוצרות 35 + 96 = 131 מולקולות ATP. אם ניקח בחשבון מולקולת ATP אחת שהושקעה ממש בהתחלה בשלב הפעלת חומצות השומן, תפוקת האנרגיה הכוללת לחמצון מוחלט של מולקולה אחת של חומצה פלמיטית תהיה 131-1=130 מולקולות ATP.
עם זאת, אצטיל-CoA שנוצר כתוצאה מחמצון b של חומצות שומן יכול לא רק להתחמצן ל-CO 2, H 2 O, ATP, תוך כניסה למחזור קרבס, אלא גם להשתמש בו לסינתזה של כולסטרול, כמו גם פחמימות ב מחזור הגליאוקסילט.
מסלול הגליאוקסילט ספציפי רק לצמחים וחיידקים; הוא נעדר באורגניזמים של בעלי חיים. תהליך זה של סינתזה של פחמימות משומנים מתואר בהרחבה בהנחיות "הקשר בין תהליכי חילוף החומרים של פחמימות, שומנים וחלבונים" (ראה סעיף 2.1.1, עמ' 26).
חומצות שומן החודרות מהדם לתא נחשפות לראשונה תגובות הפעלהתחת פעולת האנזים acyl-CoA synthetase:
RCOOH+HSKoA+ATP® R-CO-SKoA+AMP+PP i
חמצון B של חומצות שומן הוא מסלול ספציפי לפירוק חומצות שומן, המסתיים ביצירת אצטיל-CoA. חמצון b של חומצות שומן נקרא כך מכיוון שתגובת החמצון ברדיקל חומצת השומן מתרחשת באטום פחמן b. חמצון b של חומצות שומן והחמצון הבא של אצטיל-CoA ב-TCA משמשים מקור אנרגיה לסינתזה של ATP.
תהליך ב-חמצון מתרחש במטריקס המיטוכונדריאלי ורק ב תנאים אירובייםכפי שהוא קשור ל-CPE. |
הממברנה הפנימית של המיטוכונדריה אטומה לאציל-CoA, לכן קיימת מערכת להעברת חומצות שומן דרך הממברנה בשילוב מולקולת קרניטין (איור 9)
הממברנה החיצונית של המיטוכונדריה מכילה את האנזים carnitine acyltransferase I, המזרז את העברת האציל מ-CoA למולקולה קטנה של קרניטין. לאחר מכן האצילקרניטין מועבר על פני הממברנה המיטוכונדריאלית הפנימית על ידי טרנסלוקאז, כאשר האנזים קרניטין אציל טרנספראז II מעביר את האציל ל-HSKoA תוך-מיטוכונדריאלי.
לאחר כניסת acyl-CoA למטריצה המיטוכונדריאלית, התהליך מתחיל ב-חמצון, שהוא 4 תגובות רצופות המסתיימות בקיצור של חומצת השומן ב-2 אטומי פחמן, מכיוון ששארית האצטיל מתפרקת (איור 10).
4 התגובות הרצופות הללו חוזרות על עצמן עד שכל חומצת השומן בעלת מספר זוגי של אטומי פחמן הופכת למספר מסוים של מולקולות אצטיל-CoA. 4 התגובות האלה ב-חמצון (דהידרוגנציה, הידרציה, דהידרוגנציה, ביקוע של אצטיל-CoA) נקרא בדרך כלל המחזור ב--חמצון, שכן מובן שאותן תגובות חוזרות על עצמן עם רדיקל חומצת השומן עד שכל החומצה הופכת לשאריות אצטיל.
ניתן לחשב במדויק את מספר מולקולות ה-ATP שנוצרות במהלך חמצון של חומצת שומן. כדי לעשות זאת, אתה צריך לדעת שבכל מחזור:
א) נוצר אצטיל-CoA, אשר מתחמצן במחזור TCA ל-CO 2 ומים.
איור 9
מספר מולקולות אצטיל-CoA הנובעות מחמצון של חומצת שומן בעלת n אטומים מ,ניתן לחשב באמצעות הנוסחה: n / 2, (n / 2) x 12 = מספר מולקולות ATP,
ב) מתי ב--חמצון, מתרחשות 2 תגובות דה-הידרוגנציה, שבהן מולקולת יוביקינון אחת ומולקולת NAD + מופחתת, כך שכל מחזור נותן 5 מולקולות ATP בהשתתפות CPE;
ד) התשואה הכוללת של ATP במהלך חמצון של חומצות שומן עם מספר פניתן לחשב אטומי C באמצעות הנוסחה:
[((n / 2) x 12) + ((n / 2) - 1)) x 5] - 1 * = מספר מולים של ATP / מול חומצת שומן.
*מולקולת ATP אחת משמשת להפעלת חומצות שומן.
לדוגמה, במהלך החמצון של חומצה פלמיטית (C16), מתרחשים 7 מחזורים ב-חמצון, כתוצאה ממנו נוצרים 8 מול אצטיל-CoA, 7 מול FADH 2 ו-7 מול NADH + H +. לכן, תשואה ATP היא 35 ATP כתוצאה ב-חמצון ו-96 ATP כתוצאה ממחזור הציטראט, המקביל לסך של 131 מול של ATP.
ויסות של חמצון b. קצב חמצון b, כמו גם מסלולים מטבוליים אחרים, תלוי בזמינות של המצע acyl-CoA, לכן ב-חמצון חומצות שומן מופעל בתקופה שלאחר הספיגה או במהלך עבודה פיזית ממושכת, כאשר ריכוז חומצות השומן בדם עולה כתוצאה מפירוק השומנים ברקמת השומן בדם. בתנאים אלה, השרירים, שריר הלב והכבד משתמשים בחומצות שומן באופן פעיל כמקור אנרגיה. המוח אינו משתמש בחומצות שומן כמקור אנרגיה, מכיוון שהן אינן חודרות את מחסום הדם-מוח, בהיותן מולקולות הידרופוביות.
אנזים רגולטורי של חמצון b - קרניטין אצילטרנספראז I. המעכב האלוסטרי של אנזים זה, malonyl-CoA, נוצר רק במהלך הביוסינתזה של חומצות שומן; לכן, בתקופה שלאחר הספיגה, כאשר אספקת שאריות האצטיל מהמיטוכונדריה לציטוזול נפסקת, גם הסינתזה של malonyl-Ko נפסקת. חמצון b מופעל בהיעדר מעכב.
בתור המסלול החשוב ביותר המספק ATP, ב-חמצון מופעל כאשר הדרישה לאנרגיה בתא עולה. זה אפשרי בגלל הקשר הישיר של התגובות ב-חמצון באמצעות קו-אנזימים NADו-FAD עם שרשרת הובלה של אלקטרונים. ככל שהפירוק של ATP חזק יותר, חומצות השומן מתחמצנות מהר יותר ומספקות סינתזה של מולקולות ATP חדשות.
חמצון חומצות שומן יכול להיות מוגבר פתולוגית או מופחת פתולוגית.
להגבירקצב החמצון של חומצות שומן, במיוחד עם מחסור בפחמימות, מתרחש:
1. בעת נטילת מזון עשיר בשומנים.
2. בעת צום.
3. עם סוכרת.
במקרה זה, מאצטיל-CoA, שנוצר במהלך חמצון β של חומצות שומן בכבד, נוצרת כמות גדולה של גופי קטון. הצטברות של גופי קטון מובילה לחמצת ונקראת קטוזיס.
יְרִידָהקצב חמצון חומצות השומן נצפה ב:
1. חוסר קרניטין. זה נצפה ביילודים, לעתים קרובות יותר פגים. זה נגרם או על ידי הפרה של הביוסינתזה של קרניטין, או על ידי "דליפה" שלו בכליות.
תסמינים:
התקפות של היפוגליקמיה הנובעות מירידה בגלוקוניאוגנזה כתוצאה מהפרה של חמצון חומצות שומן;
ירידה בסינתזה של גופי קטון, מלווה בעלייה בתכולת חומצות השומן החופשיות בפלסמת הדם;
מיאסטניה גרביס (חולשת שרירים);
הצטברות של שומנים.
טיפול: צריכת קרניטין בפנים.
2. ירידה בפעילות של קרניטין פלמיטוילטרנספראז.
בכבד, זה מוביל להיפוגליקמיה ולירידה בתכולת גופי הקטון בפלסמת הדם.
בשרירים - להפרה של תהליך החמצון של חומצות שומן, וכתוצאה מכך חולשת שרירים והתפתחות מיוגלובינוריה.
3. חומצת דיקרבוקסילית.
התסמין העיקרי הוא הפרשת חומצות דיקרבוקסיליות C 6 -C 10 ומתפתחת היפוגליקמיה, לא קשורה לעלייה בגופי קטון.
אטיולוגיה: היעדר במיטוכונדריה של אצטיל-CoA dehydrogenase של חומצות שומן בינוניות, המקוצרות לחומצות דיקרבוקסיליות בעלות שרשרת בינונית המופרשות מהגוף.
זה מתרחש בבני אדם לאחר אכילת פירות אקי בוסר, המכילים את הרעלן היפוגליצין, אשר משבית את ה-acyl-CoA dehydrogenase, וכתוצאה מכך לעיכוב תהליך החמצון β.
5. תסמונת זלווגר (תסמונת cerebrohepatorenal).
זוהי מחלה תורשתית נדירה שבה חסרים פרוקסיזומים בכל הרקמות. בחולים הסובלים מתסמונת זלווגר, C 26 -C 28 -חומצות פוליאנואיות מצטברות במוח, tk. בשל היעדר פרוקסיזומים, הם אינם עוברים תהליך של חמצון של חומצות שומן ארוכות שרשרת.
6. מחלות של רפסום.
מחלה נוירולוגית נדירה. היא קשורה להפרעה מולדת של מערכת חמצון α, אשר מובילה להצטברות של חומצה פיטאנית ברקמות, אשר חוסמת את מערכת החמצון β.
קביעת רמת הליפידים הכוללים בפלסמה בדם (סרום) על ידי תגובת צבע עם ריאגנט סולפופוספובנילין
סך ליפידים - מושג כללי הכולל חומצות שומן לא מאסטריות, טריגליצרידים, פוספוליפידים, כולסטרול חופשי ומאסטרי, ספינגומיליינים.
עקרון השיטה: תוצרי הפירוק של שומנים בלתי רוויים יוצרים בעזרת מגיב (המורכב מחומצות גופרית, זרחתי וונילין) תרכובת שעוצמת הצבע שלה פרופורציונלית לתכולת סך השומנים בסרום הדם.
ריאגנטים:
1. חומצה גופרתית מרוכזת;
2. תערובת פוספוונילין. 4 כרכים של חומצה זרחתית מרוכזת מעורבבים עם נפח אחד של 6 גרם/ליטר תמיסת ונילין. התערובת מאוחסנת בכלי זכוכית כהה בטמפרטורת החדר.
3. תמיסת ייחוס טריולין, 8 גרם/ליטר.
התקדמות הגדרה
ל-0.02 מ"ל של סרום דם הוסף 1.5 מ"ל של חומצה גופרתית מרוכזת. את התוכן מערבבים ומניחים למשך 15 דקות באמבט מים רותחים. לאחר קירור ההידרוליזט, מודדים 0.1 מ"ל (דגימת בקרה 0.1 מ"ל חומצה גופרתית מרוכזת), המועברת למבחנות אחרות המכילות 1.5 מ"ל מגיב הפוספורונילין. לאחר הערבוב, הדגימות מודגרות למשך 50 דקות במקום חשוך בטמפרטורת החדר. הצפיפות האופטית של הדגימה (A 1) ותמיסת הייחוס (A 2) נמדדת בפוטו-קולורימטר באורך גל של 510-540 ננומטר בקובטה עם עובי שכבה של 10 מ"מ כנגד תמיסת הבקרה. החישוב נעשה לפי הנוסחה: .
תוכן תקין בסרום הדם: 4 - 8 גרם/ליטר.
ערך קליני ודיאגנוסטי. שינויים בתוכן המרכיבים הכמותיים והאיכותיים של אינדיקטור זה בדם נצפים במחלות ובמצבים פתולוגיים רבים שאינם נחשבים במדריך זה. לגבי פעילות השרירים, ישנה עלייה במדד זה לאחר פעילות גופנית ממושכת, המראה את מידת ההכללה של חילוף החומרים השומנים באספקת האנרגיה של פעילות השרירים. יחד עם זאת, ערכו של אינדיקטור זה בדרך כלל אינו חורג מגבולות הייחוס. אינפורמטיבי יותר הוא קביעת הדינמיקה של משמרות במהלך פעילות גופנית, המרכיבים של אינדיקטור זה.
ביוסינתזה של ליפיד
ביוסינתזה של ליפידים (ליפוגנזה) נחוצה ליצירת צורות רזרבה. הביוסינתזה של שומנים מתחילה עם הביוסינתזה של חומצות שומן.
ביוסינתזה של חומצות שומן
מערכת סינתזת חומצות השומן ממוקמת בחלק הציטופלזמי המסיס של איברים ורקמות רבות, כגון הכבד, הכליות, בלוטת החלב ורקמת השומן.
הביוסינתזה של חומצות שומן מתרחשת בהשתתפות:
1. NADPH∙H + ;
5. אצטיל-CoA כמצע וחומצה פלמיטית כתוצר סופי.
תכונות של ביוסינתזה של חומצות שומן
סינתזה של חומצות שומן אינה היפוך פשוט של תגובות חמצון β. התכונות החשובות ביותר הן הבאות:
1. סינתזה של חומצות שומן מתרחשת בציטופלזמה, בניגוד לפירוק המתרחש במיטוכונדריה.
2. תוצרי ביניים של סינתזת חומצות שומן קשורים באופן קוולנטי לקבוצות הסולפהדריליות של החלבון נושא האציל (ACP).
3. אנזימים רבים לסינתזה של חומצות שומן באורגניזמים גבוהים יותר ובבני אדם מאורגנים לקומפלקס רב-אנזימים הנקרא חומצת שומן סינתאז.
4. באופן ישיר אצטיל-CoA משמש רק כזרע.
5. שרשרת חומצות השומן הגדלה מתארכת על ידי התקשרות ישירה של רכיבי שני פחמן שמקורם באצטיל-CoA. Malonyl-CoA משמש כתורם מופעל של רכיבי שני פחמן בשלב ההתארכות. תגובת ההתארכות מופעלת על ידי שחרור CO 2 .
6. תפקידו של הגורם המפחית בסינתזה של חומצות שומן מתבצע על ידי NADPH H + .
7. סינתזת חומצות שומן היא תהליך מחזורי המתרחש על פני השטח של חומצת שומן סינתזה.
8. התארכות בפעולת קומפלקס חומצת השומן סינתטאז נעצרת בשלב היווצרות פלמיטאט (C 16). התארכות נוספת והחדרה של קשרים כפולים מתבצעת על ידי מערכות אנזימטיות אחרות.
שלבים בביוסינתזה של חומצות שומן
שלב I - הובלה של אצטיל-CoA מהמיטוכונדריה לציטופלזמה
חומצות שומן מסונתזות בציטופלזמה, ואצטיל-CoA נוצר מפירובאט במיטוכונדריה. הממברנה המיטוכונדריאלית אטומה לאצטיל-CoA; לכן, הובלה של אצטיל-CoA דרך הממברנה מסופקת על ידי מנגנונים מיוחדים. תפקידו של קרניטין בהובלת אצטיל-CoA אינו גדול, שכן הוא מעביר רק חומצות שומן ארוכות שרשרת. בעיה זו נפתרת על ידי סינתזה של ציטראט.
מיטוכונדריה ציטופלזמה
אצטיל-CoA + אוקסלואצטט אצטיל-CoA + אוקסלואצטט + ADP + P n
HO - C - COOH ציטראט + ATP + HSKoA
CH 2 - COOH
אורז. 20. סכימה של הובלה של אצטיל-CoA על פני הממברנה המיטוכונדריאלית
ציטראט נוצר במטריקס המיטוכונדריאלי על ידי עיבוי של אצטיל-CoA ואוקסלואצטט. לאחר מכן הוא מתפזר לתוך הציטופלזמה, שם הוא מבוקע על ידי ציטראט ליאז. לפיכך, אצטיל-CoA ואוקסלואצטט מועברים מהמיטוכונדריה לציטופלזמה באמצעות מולקולת ATP אחת.
מקורות של NADPH H+ לביוסינתזה של חומצות שומן
Oxaloacetate, שנוצר כתוצאה מהעברת אצטיל-CoA לתוך הציטופלזמה, חייב להיות מוחזר בחזרה למיטוכונדריה. תהליך זה קשור ליצירת NADPH·H + . התגובה מתרחשת בציטופלזמה ומתמשכת בשני שלבים:
1. Oxaloacetate + NADH H + Malate + NAD +
MDH (דה-קרבוקסילציה)
2. מלאט + NADP + פירובט + CO 2 + NADPH H +
הפירובט המתקבל מתפזר בקלות למיטוכונדריה, שם הוא עובר קרבוקסיליציה לאוקסלואצטט תחת פעולת פירובאט קרבוקסילאז (עם הוצאת אנרגיית ATP).
Pyruvate + HCO 3 - + ATP Oxaloacetate + ADP + F n
חמצון שומן תקין בגוף קשור קשר הדוק למחזור קרבס. המסלול העיקרי להיווצרות אוקסלואצטט הוא קרבוקסילציה של PVC. לבעירה של 1.5 גרם חומצות שומן, נדרש 1 גרם פחמימות. מכאן שקיימת אמירה בקרב ביוכימאים ש"שומנים נשרפים בלהבת הפחמימות".
אוקסלואצטט, שסונתז בתגובה זו, יוצר אינטראקציה עם אצטיל-CoA ליצירת ציטראט, אשר מחומצן ב-TCA.
לפיכך, על כל מולקולת אצטיל-CoA שעוברת מהמיטוכונדריה אל הציטופלזמה, נוצרת מולקולה אחת של NADPH H +. לכן, במהלך המעבר של 8 מולקולות של אצטיל-CoA הנחוצות לסינתזה של חומצה פלמיטית, נוצרות 8 מולקולות של NADPH·H +. עוד 6 מולקולות הנדרשות לתהליך זה נוצרות במסלול הפנטוז פוספט.
שלב II - יצירת malonyl-CoA.
זוהי התגובה הראשונה בביוסינתזה של חומצות שומן. מזורז על ידי האנזים acetyl-CoA carboxylase. הקואנזים הוא ביוטין. התגובה מורכבת מקרבוקסילציה של אצטיל-CoA, מקור ה-CO2 הוא ביקרבונט.
C \u003d O + HCO 3 - + ATP E - ביוטין CH 2 + ADP + H 3 PO 4
אצטיל - KoA malonyl - KoA
אורז. 21. קרבוקסילציה של אצטיל-CoA (הקואנזים של אצטיל-CoA קרבוקסילאז הוא ביוטין)
Malonyl-CoA הוא למעשה אצטיל-CoA משופעל. אנרגיה מאוחסנת מראש בצורה של קבוצת קרבוקסיל ומשתחררת במהלך דקרבוקסילציה ישירות במהלך הביוסינתזה של חומצות שומן. בביוסינתזה נוספת של חומצות שומן, אצטיל-CoA משמש כזרע, והסינתזה עצמה מגיעה מ-malonyl-CoA.
שלב III - ביוסינתזה של חומצות שומן.
מתרחש בכבד, בכליות, בשרירי השלד והלב, ברקמת השומן. ברקמת המוח, קצב חמצון חומצות השומן נמוך מאוד; גלוקוז הוא מקור האנרגיה העיקרי ברקמת המוח.
החמצון של מולקולת חומצת שומן ברקמות הגוף מתרחש במצב β. כתוצאה מכך, שברי שני פחמן מתפצלים ברצף ממולקולת חומצת השומן מהצד של קבוצת הקרבוקסיל.
לחומצות שומן, שהן חלק מהשומנים הטבעיים של בעלי חיים וצמחים, יש מספר זוגי של אטומי פחמן. כל חומצה כזו, שממנה מתפצלים כמה אטומי פחמן, עוברת בסופו של דבר את שלב החומצה הבוטירית. לאחר חמצון ה-β הבא, חומצה בוטירית הופכת לאצטואצטית. זה האחרון עובר הידרוליזה לשתי מולקולות של חומצה אצטית.
אספקת חומצות השומן למקום החמצון שלהן - למיטוכונדריה - מתרחשת בצורה מורכבת: בהשתתפות אלבומין מתבצעת הובלת חומצות שומן לתוך התא; בהשתתפות חלבונים מיוחדים (חלבונים קושרי חומצות שומן, FABP) - הובלה בתוך הציטוזול; בהשתתפות קרניטין - הובלה של חומצות שומן מהציטוזול למיטוכונדריה.
תהליך חמצון חומצות השומן מורכב מהשלבים העיקריים הבאים.
הַפעָלָהחומצות שומן. חומצת שומן חופשית, ללא קשר לאורכה של שרשרת הפחמימנים, אינרטית מבחינה מטבולית ואינה יכולה לעבור כל טרנספורמציה ביוכימית, לרבות חמצון, עד להפעלתה. הפעלת חומצות שומן מתרחשת על פני השטח החיצוניים של הממברנה המיטוכונדריאלית בהשתתפות יוני ATP, קואנזים A (HS-KoA) ו-Mg 2+. התגובה מזורזת על ידי האנזים acyl-CoA synthetase:
כתוצאה מהתגובה נוצר acyl-CoA, שהיא הצורה הפעילה של חומצת השומן.
הוא האמין כי ההפעלה של חומצות שומן ממשיך בשני שלבים. ראשית, חומצת השומן מגיבה עם ATP ליצירת acyladenylate, שהוא אסטר של חומצת השומן ו-AMP. יתר על כן, קבוצת הסולפהדריל של CoA פועלת על האסילאדנילט הקשור בחוזקה לאנזים ליצירת acyl-CoA ו-AMP.
תַחְבּוּרָהחומצות שומןבְּתוֹך מיטוכונדריה. לצורה הקו-אנזימטית של חומצות שומן, בדיוק כמו חומצות שומן חופשיות, אין יכולת לחדור לתוך המיטוכונדריה, שם למעשה מתרחש החמצון שלהן. הנשא של חומצות שומן ארוכות מופעלות על פני הממברנה המיטוכונדריאלית הפנימית הוא קרניטין. קבוצת האציל מועברת מאטום הגופרית של CoA לקבוצת ההידרוקסיל של קרניטין ליצירת אצילקרניטין, המתפזר על פני הממברנה המיטוכונדריאלית הפנימית:
התגובה ממשיכה עם השתתפותו של אנזים ציטופלזמי ספציפי קרניטין אצילטרנספראז. כבר בצד הממברנה הפונה אל המטריצה, קבוצת האציל מועברת בחזרה ל-CoA, דבר המועיל מבחינה תרמודינמית, שכן לקשר O-acyl בקרניטין יש פוטנציאל העברה קבוצתי גבוה. במילים אחרות, לאחר מעבר אצילקרניטין דרך הממברנה המיטוכונדריאלית, מתרחשת התגובה ההפוכה - פירוק אצילקרניטין בהשתתפות HS-KoA ומיטוכונדריאלי קרניטין אצילטרנספראז:
Intramitochondrialחמצון חומצות שומן. תהליך חמצון חומצות השומן במיטוכונדריה של התא כולל מספר תגובות אנזימטיות עוקבות.
השלב הראשון של דה-הידרוגנציה. Acyl-CoA במיטוכונדריה עובר בעיקר דה-הידרוגנציה אנזימטית, בעוד Acyl-CoA מאבד 2 אטומי מימן בעמדות α ו- β, והופך לאסטר CoA של חומצה בלתי רוויה. לפיכך, התגובה הראשונה בכל מחזור של פירוק acyl-CoA היא החמצון שלו על ידי acyl-CoA dehydrogenase, המוביל ליצירת enoyl-CoA עם קשר כפול בין C-2 ל-C-3:
ישנם מספר דהידרוגנאז של acyl-CoA המכילים FAD, שלכל אחד מהם יש ספציפיות לאציל-CoA עם אורך שרשרת פחמן מסוים.
שלבהִידרָצִיָה. Acyl-CoA בלתי רווי (enoyl-CoA), בהשתתפות האנזים enoyl-CoA hydratase, מחבר מולקולת מים. כתוצאה מכך נוצר β-hydroxyacyl-CoA (או 3-hydroxyacyl-CoA):
שימו לב שהידרציה של enoyl-CoA היא סטריאוספציפית, בדומה להידרציה של fumarate ו-aconitate (ראה עמ' 348). כתוצאה מהידרציה של הקשר הכפול trans-Δ 2, נוצר רק ה-L-isomer של 3-hydroxyacyl-CoA.
שלב שנידה-הידרוגנציה. ה-β-hydroxyacyl-CoA (3-hydroxyacyl-CoA) שהתקבל לאחר מכן מפורק. תגובה זו מזורזת על ידי NAD + -dependent dehydrogenases:
Thiolaseתְגוּבָה. במהלך התגובות הקודמות, קבוצת המתילן התחמצנה ב-C-3 לקבוצת האוקסו. תגובת הטיולאז היא ביקוע 3-oxoacyl-CoA בעזרת קבוצת התיול של מולקולת ה-CoA השנייה. כתוצאה מכך נוצר Acyl-CoA הקטוע על ידי שני אטומי פחמן ושבר שני פחמן בצורת אצטיל-CoA. תגובה זו מזורזת על ידי אצטיל-CoA acyltransferase (β-ketothiolase):
האצטיל-CoA המתקבל עובר חמצון במחזור החומצה הטריקרבוקסילית, וה-acyl-CoA, המקוצר בשני אטומי פחמן, עובר שוב ושוב את כל נתיב החמצון ב-β עד להיווצרות של butyryl-CoA (תרכובת 4 פחמן), אשר בתורו מתחמצן עד 2 מולקולות של אצטיל-CoA
במחזור אחד של חמצון β נוצרת מולקולה אחת של אצטיל-CoA, שהחמצון שלה במחזור הציטראט מספק את הסינתזה 12 מול ATP. בנוסף, הוא נוצר 1 מול FADH 2 ו-1 מול NADH+H, במהלך החמצון של אשר בשרשרת הנשימה מסונתז, בהתאמה 2 ו-3 מול ATP (סה"כ 5).
לפיכך, במהלך החמצון של, למשל, חומצה פלמיטית (C16), 7 מחזורים של חמצון β, כתוצאה מכך נוצרים 8 מול אצטיל-CoA, 7 מול FADH 2 ו-7 מול NADH + H. לכן, תשואה ATP היא 35 מולקולות כתוצאה מחמצון β ו 96 ATP כתוצאה ממחזור ציטראט, שמתאים בסך הכל ל 131 מולקולות ATP.