Кез келген ағзаның өмір сүруінің негізгі шарты – әртүрлі жасушалық процестерге жұмсалатын энергияның үздіксіз берілуі. Сонымен бірге қоректік қосылыстардың белгілі бір бөлігін бірден пайдалануға болмайды, бірақ қорларға айналуы мүмкін. Мұндай резервуардың рөлін глицерин мен май қышқылдарынан тұратын майлар (липидтер) атқарады. Соңғыларын жасуша отын ретінде пайдаланады. Бұл жағдайда май қышқылдары CO2 және H2O дейін тотығады.
Май қышқылының негіздері
Май қышқылдары химиялық құрамы бойынша карбон қышқылдарына жататын әртүрлі ұзындықтағы көміртек тізбегі (4-тен 36 атомға дейін). Бұл тізбектер тармақталған немесе тармақсыз болуы мүмкін және қос байланыстардың әртүрлі сандарын қамтиды. Егер соңғысы мүлдем жоқ болса, май қышқылдары қаныққан (жануар тектес көптеген липидтерге тән) деп аталады, ал басқа жағдайда -қанықпаған. Қос байланыстардың орналасуы бойынша май қышқылдары бір қанықпаған және полиқанықпаған болып бөлінеді.
Тізбектердің көпшілігінде көміртегі атомдарының жұп саны болады, бұл олардың синтезінің ерекшелігіне байланысты. Дегенмен, сілтемелердің тақ саны бар байланыстар бар. Қосылыстың осы екі түрінің тотығуы аздап ерекшеленеді.
Жалпы сипаттамалар
Май қышқылының тотығу процесі күрделі және көп сатылы. Ол олардың жасушаға енуінен басталып, тыныс алу тізбегінде аяқталады. Сонымен бірге соңғы кезеңдер шын мәнінде көмірсулардың катаболизмін қайталайды (Кребс циклі, трансмембраналық градиент энергиясының макроэргиялық байланысқа айналуы). Процестің соңғы өнімдері: ATP, CO2 және су.
Эукариоттық жасушадағы май қышқылдарының тотығуы митохондрияда (ең тән локализация орны), пероксисомаларда немесе эндоплазмалық ретикулумда жүзеге асады.
Тотығудың сорттары (түрлері)
Май қышқылының тотығуының үш түрі бар: α, β және ω. Көбінесе бұл процесс β-механизммен жүреді және митохондрияларда локализацияланады. Омега жолы β-механизмге кішігірім альтернатива болып табылады және эндоплазмалық торда жүзеге асырылады, ал альфа механизмі май қышқылының тек бір түріне (фитаникалық) тән.
Митохондриядағы май қышқылдарының тотығу биохимиясы
Ыңғайлы болу үшін митохондриялық катаболизм процесі шартты түрде 3 кезеңге бөлінеді:
- белсендіру және митохондрияға тасымалдау;
- тотығу;
- түзілген ацетил-кофермент А-ның Кребс циклі және электрлік тасымалдау тізбегі арқылы тотығуы.
Активация - бұл май қышқылдарын биохимиялық өзгерістерге қол жетімді формаға айналдыратын дайындық процесі, өйткені бұл молекулалардың өзі инертті. Сонымен қатар, белсендірусіз олар митохондриялық мембраналарға өте алмайды. Бұл кезең митохондриялардың сыртқы мембранасында өтеді.
Шындығында, тотығу процестегі негізгі қадам болып табылады. Ол төрт кезеңді қамтиды, содан кейін май қышқылы ацетил-КоА молекулаларына айналады. Дәл осындай өнім көмірсуларды кәдеге жарату кезінде түзіледі, сондықтан келесі қадамдар аэробты гликолиздің соңғы сатыларына ұқсас болады. АТФ түзілуі электрондарды тасымалдау тізбегінде жүреді, мұнда электрохимиялық потенциалдың энергиясы макроэргиялық байланыс түзуге жұмсалады.
Май қышқылдарының тотығу процесінде ацетил-КоА-дан басқа NADH және FADH молекулалары да түзіледі2, олар да тыныс алу тізбегіне электронды донор ретінде енеді. Нәтижесінде липидтер катаболизмінің жалпы энергия шығысы айтарлықтай жоғары. Мысалы, пальмитин қышқылының β-механизмі арқылы тотығуы 106 ATP молекуласын береді.
Активация және митохондриялық матрицаға тасымалдау
Май қышқылдарының өзі инертті және тотыға алмайды. Активация оларды биохимиялық трансформациялар үшін қол жетімді пішінге әкеледі. Сонымен қатар, бұл молекулалар митохондрияға өзгеріссіз кіре алмайды.
Іске қосудың мәні мынадамай қышқылының оның ацил-КоА-тиоэфиріне айналуы, ол кейіннен тотығуға ұшырайды. Бұл процесті митохондриялардың сыртқы қабығына бекітілген арнайы ферменттер – тиокиназалар (Ацил-КоА синтетазалары) жүзеге асырады. Реакция екі АТФ энергиясының шығынымен байланысты 2 кезеңде жүреді.
Іске қосу үшін үш компонент қажет:
- ATF;
- HS-CoA;
- Mg2+.
Біріншіден, май қышқылы АТФ-мен әрекеттесіп, ациладенилат (аралық өнім) түзеді. Бұл өз кезегінде HS-CoA-мен әрекеттеседі, оның тиол тобы АМФ-ті ығыстырып, карбоксил тобымен тиоэфирлік байланыс түзеді. Нәтижесінде ацил-КоА заты түзіледі - май қышқылының туындысы, ол митохондрияға тасымалданады.
Митохондрияға тасымалдау
Бұл қадам карнитинмен трансэтерификация деп аталады. Ацил-КоА-ның митохондриялық матрицаға тасымалдануы карнитиннің және арнайы ферменттердің - карнитин ацилтрансферазаларының қатысуымен тесіктер арқылы жүзеге асады.
Мембрана арқылы тасымалдау үшін КоА ацил-карнитин түзу үшін карнитинмен ауыстырылады. Бұл зат матрицаға ацил-карнитин/карнитин тасымалдаушы жеңілдетілген диффузия арқылы тасымалданады.
Митохондрия ішінде қайтадан мембраналарға енетін ретинальды қабықтың бөлінуінен және ацил-КоА қалпына келуінен тұратын кері реакция жүреді (бұл жағдайда «жергілікті» кофермент А қолданылады және байланыс пайда болған емесбелсендіру сатысында).
Май қышқылының β-механизммен тотығуының негізгі реакциялары
Май қышқылдарының энергияны пайдаланудың қарапайым түрі – қос байланысы жоқ, көміртегі бірліктерінің саны жұп болатын тізбектердің β-тотығуы. Бұл процестің субстраты, жоғарыда айтылғандай, ацил кофермент А.
Май қышқылдарының β-тотығу процесі 4 реакциядан тұрады:
- Дегидрдену – α және β-орнында (бірінші және екінші атомдар) орналасқан тізбекті буындар арасында қос байланыс түзе отырып, β-көміртек атомынан сутегінің бөлінуі. Нәтижесінде энил-КоА түзіледі. Реакция ферменті ацил-КоА дегидрогеназа болып табылады, ол FAD коферментімен үйлеседі (соңғысы FADH2 дейін төмендейді).
- Гидрация – энол-КоА-ға су молекуласының қосылуы, нәтижесінде L-β-гидроксиацил-КоА түзіледі. Энойл-КоА-гидратаза арқылы жүзеге асырылады.
- Гидрогенизация – алдыңғы реакция өнімін β-кетоацил-коэнзим А түзе отырып, NAD-тәуелді дегидрогеназа арқылы тотығу. Бұл жағдайда NAD NADH дейін тотықсызданады.
- β-кетоацил-КоА-ның ацетил-КоА-ға және 2 көміртекті қысқартылған ацил-КоА-ға ыдырауы. Реакция тиолазаның әсерінен жүзеге асады. Тегін HS-CoA болуы міндетті шарт болып табылады.
Сосын бәрі бірінші реакциядан басталады.
Барлық кезеңдердің циклдік қайталануы май қышқылының барлық көміртегі тізбегі А ацетил-коферментінің молекулаларына айналғанша жүзеге асырылады.
Пальмитойл-КоА тотығу мысалында ацетил-КоА және АТФ түзілуі
Әр циклдің соңында ацил-КоА, NADH және FADH2 молекулалары бір мөлшерде түзіліп, ацил-КоА-тиоэфир тізбегі екі атомға қысқарады. Электрондарды электротасымалдау тізбегіне беру арқылы FADH2 бір жарым ATP молекуласын, ал NADH екі молекуласын береді. Нәтижесінде ацетил-КоА энергия шығымын есептемегенде бір циклден 4 АТФ молекуласы алынады.
Пальмитин қышқылы тізбегінде 16 көміртек атомы бар. Бұл тотығу сатысында сегіз ацетил-КоА түзілуімен 7 цикл жүргізілуі керек дегенді білдіреді, ал NADH және FADH2 энергия шығымы бұл жағдайда 28 ATP молекуласы болады. (4×7). Ацетил-КоА тотығуы Кребс циклінің өнімдерінің электрлік тасымалдау тізбегіне түсуі нәтижесінде жинақталатын энергияның түзілуіне де барады.
Тотығу қадамдарының және Кребс циклінің жалпы шығымы
Ацетил-КоА-ның тотығуы нәтижесінде 10 АТФ молекуласы алынады. Пальмитойл-КоА катаболизмі 8 ацетил-КоА беретіндіктен, энергия шығымы 80 АТФ (10×8) болады. Егер мұны NADH және FADH2 тотығу нәтижесіне қоссаңыз, 108 молекула (80+28) аласыз. Осы мөлшерден май қышқылын белсендіруге кеткен 2 АТФ-ны алып тастау керек.
Пальмитин қышқылының тотығуының соңғы теңдеуі келесідей болады: пальмитойл-КоА + 16 O2 + 108 Pi + 80 ADP=CoA + 108 ATP + 16 CO2 + 16 H2O.
Энергия бөлінуін есептеу
Энергия шығысыбелгілі бір май қышқылының катаболизмі оның тізбегіндегі көміртегі бірліктерінің санына байланысты. ATP молекулаларының саны мына формула бойынша есептеледі:
[4(n/2 - 1) + n/2×10] - 2, мұндағы 4 - NADH және FADH2 әсерінен әрбір циклде түзілетін АТФ мөлшері, (n/2 - 1) циклдар саны, n/2×10 - ацетил- тотығуынан алынатын энергия CoA және 2 - белсендіру құны.
Реакциялардың ерекшеліктері
Қанықпаған май қышқылдарының тотығуының өзіндік ерекшеліктері бар. Сонымен қосарлы байланыстары бар тотықтырғыш тізбектердің қиындығы соңғысының цис позициясында болуына байланысты энил-КоА-гидратаза әсеріне ұшырамауында. Бұл проблема энойл-КоА изомераза арқылы жойылады, соның арқасында байланыс транс конфигурациясына ие болады. Нәтижесінде молекула бета-тотығудың бірінші сатысының өнімімен толығымен бірдей болады және гидратацияға ұшырауы мүмкін. Құрамында бір ғана байланыс бар сайттар қаныққан қышқылдар сияқты тотығады.
Кейде процесті жалғастыру үшін энил-КоА-изомераза жеткіліксіз. Бұл cis9-cis12 конфигурациясы бар тізбектерге қатысты (9-шы және 12-ші көміртегі атомдарындағы қос байланыстар). Мұнда тек конфигурация ғана емес, сонымен қатар тізбектегі қос байланыстардың орналасуы да кедергі болып табылады. Соңғысы 2,4-диенойл-КоА редуктаза ферментімен түзетіледі.
Тақ май қышқылдарының катаболизмі
Қышқылдың бұл түрі табиғи (табиғи) шыққан липидтердің көпшілігіне тән. Бұл белгілі бір күрделілікті тудырады, өйткені әрбір циклсілтемелердің жұп санына қысқартуды білдіреді. Осы себепті осы топтың жоғары май қышқылдарының циклдік тотығуы ацетил-КоА және пропионил-коэнзим А-ға ыдырайтын өнім ретінде 5 көміртекті қосылыс пайда болғанша жалғасады. Екі қосылыс үш реакциядан тұратын басқа циклге өтеді., нәтижесінде сукцинил-КоА түзіледі. Ол Кребс цикліне кіреді.
Пероксисомалардағы тотығу ерекшеліктері
Пероксисомаларда май қышқылының тотығуы митохондрияға ұқсас, бірақ бірдей емес бета механизмі арқылы жүреді. Ол сондай-ақ ацетил-КоА түріндегі өнімнің түзілуімен аяқталатын 4 кезеңнен тұрады, бірақ оның бірнеше негізгі айырмашылықтары бар. Осылайша, дегидрлеу сатысында бөлінген сутегі ФАД-ны қалпына келтірмейді, бірақ сутегі асқын тотығының түзілуімен оттегіге өтеді. Соңғысы каталазаның әсерінен бірден ыдырауға ұшырайды. Нәтижесінде тыныс алу тізбегіндегі АТФ синтезіне пайдаланылуы мүмкін энергия жылу түрінде таралады.
Екінші маңызды айырмашылық - кейбір пероксисома ферменттері кейбір азырақ май қышқылдарына тән және митохондриялық матрицада болмайды.
Бауыр жасушаларының пероксисомаларының ерекшелігі Кребс циклінің ферментативті аппаратының болмауы. Сондықтан бета-тотығу нәтижесінде қысқа тізбекті өнімдер түзіледі, олар тотығу үшін митохондрияға тасымалданады.
