חמצון בטא של חומצות שומן: צעדים, תגובות, מוצרים, ויסות - ביולוגיה - 2025

חמצון בטא של חומצות שומן הוא המסלול של פירוק (השפלה) של חומצות שומן, שתפקידה העיקרי הוא ייצור או "שחרור" של אנרגיה הכלול אג"ח של מולקולות אלה.

מסלול זה התגלה בשנת 1904 בזכות הניסויים שערך פרנץ קנוף הגרמני, שהורכב במתן, לחולדות ניסיוניות, של חומצות שומן שקבוצת המתיל הסופית שלה שונה עם קבוצת פניל.

תרשים של חמצון בטא של חומצות שומן (מקור: Arturo González Laguna באמצעות ויקימדיה Commons)

קנופ ציפה שמוצרי הקטבוליזם של חומצות שומן "אנלוגיות" אלה ילכו בדרכים הדומות למסלול החמצון של חומצות שומן טבעיות (ללא שינוי). עם זאת, הוא מצא כי היו הבדלים במוצרים שהתקבלו כפונקציה למספר אטומי הפחמן של חומצות השומן.

עם תוצאות אלה הציע קנופ כי ההשפלה התרחשה ב"צעדים ", החל ב"התקפה" על פחמן ה- ß (זה במצב 3 ביחס לקבוצת הקרבוקסיל הסופית), ומשחררת שברים של שני אטומי פחמן.

בהמשך הוצג כי התהליך דורש אנרגיה בצורה של ATP, המיוצר במיטוכונדריה וכי השברים של שני אטומי פחמן נכנסים למחזור קרבס כאצטיל-CoA.

בקיצור, חמצון בטא של חומצות שומן כרוך בהפעלה של קבוצת הקרבוקסיל הסופנית, הובלת חומצת השומן המופעלת למטריקס המיטוכונדריאלי, וחמצון פחמן שניים על ידי שתיים "צעד" מקבוצת הקרבוקסיל.

כמו תהליכים אנבוליים וקטבוליים רבים, מסלול זה מוסדר, מכיוון שהוא ראוי לגיוס חומצות שומן "רזרבות" כאשר המסלולים הקטבוליים האחרים אינם מספיקים כדי לעמוד בדרישות האנרגיה התאית והגופנית.

שלבים ותגובות

חומצות שומן נמצאות בעיקר בציטוזול, בין אם הן מגיעות ממסלולי ביו-סינתטיים ובין ממרבצי שומן המאוחסנים ממזון שנבלע (שחייב להיכנס לתאים).

- הפעלת חומצות שומן והובלה למיטוכונדריה

הפעלת חומצות שומן מצריכה שימוש במולקולת ATP והיא קשורה להיווצרות של מצומפי acyl thioester עם קו אנזים A.

הפעלה זו מנותזת על ידי קבוצת אנזימים הנקראים ליגוזות אצטיל-CoA הספציפיות לאורך השרשרת של כל חומצת שומן. חלק מהאנזימים הללו מפעילים חומצות שומן כשהם מועברים למטריצה ​​המיטוכונדריה, מכיוון שהם מוטמעים בקרום המיטוכונדריאלי החיצוני.

הפעלת חומצות שומן (מקור: Jag123 בוויקיפדיה האנגלית באמצעות ויקימדיה Commons)

תהליך ההפעלה מתרחש בשני שלבים, תחילה מייצר אסיל אדנילט מחומצת השומן המופעלת באמצעות ATP, שם משתחררת מולקולת פירופוספט (PPi). קבוצת הקרבוקסיל שמופעלת על ידי ATP מותקפת לאחר מכן על ידי קבוצת התיאול של הקואנזים A ליצירת acyl-CoA.

הטרנסלוקציה של acyl-CoA דרך הממברנה המיטוכונדרית מושגת על ידי מערכת הובלה המכונה מעבורת קרניטין.

- חמצון בטא של חומצות שומן רוויות עם מספר אחיד של אטומי פחמן

השפלה של חומצות שומן היא דרך מחזורית, מכיוון ששחרורו של כל שבר של שני אטומי פחמן אחריו מיד אחר, עד שהוא מגיע לכל אורכו של המולקולה. התגובות שיש להן חלק בתהליך זה הן הבאות:

- התייבשות.

- הידרציה של קשר כפול.

- התייבשות של הידרוקסיל בקבוצה.

- שבר על ידי התקפה של מולקולת אצטיל-CoA על הפחמן β.

תגובה 1: התייבשות ראשונה

זה מורכב מהיווצרות קשר כפול בין פחמן α לפחמן β על ידי ביטול שני אטומי מימן. זה מנותז על ידי אנזים acyl-CoA dehydrogenase, המהווה מולקולה של trans∆2-enoyl-S-CoA ומולקולה של FAD + (cofactor).

תגובות 2 ו -3: הידרציה והתייבשות

ההידרציה מנותזת על ידי הידרו-אנאז-CoA ואילו הידרוגנציה מתווכת על ידי דה-הידרוגנז 3-הידרוקסיציל-קו -A, והתגובה האחרונה תלויה בקופקטור NAD +.

ההידרציה של trans∆2-enoyl-S-CoA מולידה 3-hydroxyacyl-CoA, אשר התייבשותו מייצרת מולקולת 3-ketoacyl-CoA ומולדת NADH + H.

ה- FADH2 וה- NADH המיוצרים בשלושת התגובות הראשונות של חמצון בטא מחוסנים מחדש דרך שרשרת ההובלה האלקטרונית, בזכותם הם משתתפים בייצור ATP, 2 מולקולות לכל FADH2 ו -3 מולקולות לכל NADH.

תגובה 4: פיצול

כל מחזור של חמצון בטא המסלק מולקולה עם שני אטומי פחמן מסתיים במחסור "התיוליטי" של פחמן הקטו, אשר מותקף על ידי קו אנזים A בקשר שבין הפחמימות α ו- β.

תגובה זו מנותזת על ידי האנזים β-ketothiolase או thiolase, ומוצריה הם מולקולה אחת של acyl-CoA (חומצת השומן המופעלת עם שני פחות אטומי פחמן) ואחת של אצטיל-CoA.

- חמצון בטא של חומצות שומן רוויות עם מספר אי-זוגי של אטומי פחמן

בחומצות שומן עם מספר מוזר של אטומי פחמן (שאינם נפוצים במיוחד), למולקולה של מחזור ההשפלה האחרון יש 5 אטומי פחמן, ולכן הפיצול שלה מייצר מולקולת אצטיל-CoA (שנכנסת למחזור של Krebs) ואחרת של Propionyl-CoA.

יש לקרבוזילציה של פרופיוניל-CoA (תגובה תלויה ב- ATP וביקרבונט) על ידי האנזים פרופוניוניל-CoA קרבוקסילאז, ובכך ליצור תרכובת המכונה D-methylmalonyl-CoA, שצריך להמריץ אותה לצורת ה- "L" שלה.

חמצון בטא של חומצות שומן ממוספרות (מקור: Eleska באמצעות ויקימדיה Commons)

לאחר מכן, התרכובת הנובעת מהפיטוריזציה מומרת לסוקסיניל-CoA על ידי פעולת האנזים L-methylmalonyl-CoA mutase, ומולקולה זו, כמו גם אצטיל-CoA, נכנסת למחזור חומצות לימון.

- חמצון בטא של חומצות שומן בלתי רוויות

לליפידים תאיים רבים יש שרשראות של חומצות שומן בלתי-רוויות, כלומר יש להם קשר כפול אחד או יותר בין אטומי הפחמן שלהם.

החמצון של חומצות שומן אלה שונה במקצת מזה של חומצות שומן רוויות, מכיוון ששני אנזימים נוספים, איזו-אנל-CoA איזומרז ו- 2,4-dienoyl-CoA רדוקטאז, אחראים על ביטול הרווחים הללו כך שחומצות שומן אלו יכול להיות מצע לאנזים אנול-CoA הידראז.

חמצון בטא של חומצות שומן בלתי רוויות (מקור: Hajime7basketball דרך ויקימדיה Commons)

האנוומרז האנויל-CoA פועל על חומצות שומן חד בלתי-רוויות (עם רוויה אחת בלבד), בינתיים האנזים 2,4-dienoyl-CoA-רדוקטאז מגיב עם חומצות שומן בלתי-רוויות (עם שניים או יותר בלתי-רווים).

- חמצון בטא חיצוני

חמצון בטא של חומצות שומן יכול להתרחש גם בתוך אברונים ציטוזוליים אחרים כמו פרוקסיסומים, למשל, עם ההבדל שהאלקטרונים המועברים ל- FAD + אינם מועברים לשרשרת הנשימה, אלא ישירות לחמצן.

תגובה זו מייצרת מי חמצן (החמצן מופחת), תרכובת שמבטלת את האנזים הקטלאז, הספציפי לאברונים אלה.

מוצרים של חמצון בטא

חמצון חומצות שומן מייצר אנרגיה רבה בהרבה מפירוק פחמימות. התוצר העיקרי של חמצון בטא הוא האצטיל-CoA המיוצר בכל שלב בחלק המחזורי של השביל, אולם מוצרים אחרים הם:

- AMP, H + ופירופוספט (PPi), המיוצרים במהלך ההפעלה.

- FADH2 ו- NADH, לכל אצטיל-CoA המיוצר.

- סוקסיניל-CoA, ADP, Pi, לחומצות שומן מוזרות.

חמצון בטא של חומצה פלמיטית (מקור: ´Rojinbkht באמצעות Wikimedia Commons)

אם ניקח כדוגמה חמצון בטא השלם של חומצה פלמיטית (פלמיטיט), חומצת שומן עם 16 אטומי פחמן, כמות האנרגיה המופקת שווה פחות או יותר ל 129 מולקולות של ATP, שמגיעות מ 7 הסיבובים שעליה להשלים. האופניים.

תַקָנָה

הוויסות של חמצון בטא בטא ברוב התאים תלוי בזמינות האנרגיה, לא רק הקשורה לפחמימות אלא גם לחומצות השומן עצמן.

בעלי חיים שולטים בהתגייסות, ועל כן, על פירוק שומנים באמצעות גירויים הורמונליים, שבאותו הזמן נשלטים על ידי מולקולות כמו cAMP, למשל.

בכבד, איבר פירוק השומן העיקרי, ריכוז המלוניל-CoA חשוב ביותר לוויסות חמצון בטא; זהו המצע הראשון המעורב במסלול הביוסינתזה של חומצות השומן.

כאשר מלוניל-CoA מצטבר בפרופורציות גדולות, הוא מקדם ביוסינתזה של חומצות שומן ומעכב את המעביר המיטוכונדריאלי או את מעבורת האציל-קרניטין. כאשר ריכוזו פוחת, הפסקת העצירה מופעלת וחמצון בטא מופעל.

הפניות

1. Mathews, C., van Holde, K., & Ahern, K. (2000). ביוכימיה (מהדורה שלישית). סן פרנסיסקו, קליפורניה: פירסון.
2. נלסון, DL ו- Cox, MM (2009). עקרונות לינגינגר של ביוכימיה. מהדורות אומגה (מהדורה חמישית).
3. ראון, ג'יי.די (1998). בִּיוֹכִימִיָה. ברלינגטון, מסצ'וסטס: הוצאת ניל פטרסון.
4. שולץ, ח. (1991). חמצון בטא של חומצות שומן. Biochimica et Biophysica Acta, 1081, 109–120.
5. שולץ, ח. (1994). ויסות חמצון חומצה שומנית בלב. ביקורת ביקורתית, 165–171.
6. Schulz, H., & Kunau, W. (1987). חמצון בטא של חומצות שומן בלתי רוויות: מסלול מתוקן. TIBS, 403-406.