เบต้าออกซิเดชั่นของกรดไขมัน: ขั้นตอนปฏิกิริยาผลิตภัณฑ์การควบคุม - ชีววิทยา - 2026

บีตาออกซิเดชันของกรดไขมันเป็นเส้นทางของ catabolism (ย่อยสลาย) ของกรดไขมันที่มีหน้าที่หลักคือการผลิตหรือ "ปล่อย" ของพลังงานที่มีอยู่ในพันธบัตรของโมเลกุลเหล่านี้

เส้นทางนี้ถูกค้นพบในปี 1904 เนื่องจากการทดลองของ German Franz Knoop ซึ่งประกอบไปด้วยการบริหารไปจนถึงหนูทดลองของกรดไขมันที่มีการปรับเปลี่ยนหมู่เมทิลสุดท้ายด้วยกลุ่มฟีนิล

แผนภาพของการออกซิเดชั่นเบต้าของกรดไขมัน (ที่มา: Arturo González Laguna ผ่าน Wikimedia Commons)

Knoop คาดว่าผลิตภัณฑ์ catabolism ของกรดไขมัน "อะนาล็อก" เหล่านี้จะเป็นไปตามวิถีทางที่คล้ายกับวิถีการออกซิเดชั่นของกรดไขมันปกติ (ธรรมชาติที่ไม่ได้ปรับเปลี่ยน) อย่างไรก็ตามเขาพบว่ามีความแตกต่างในผลิตภัณฑ์ที่ได้จากฟังก์ชันของจำนวนคาร์บอนอะตอมของกรดไขมัน

ด้วยผลลัพธ์เหล่านี้ Knoop เสนอว่าการย่อยสลายเกิดขึ้นใน "ขั้นตอน" โดยเริ่มต้นด้วย "การโจมตี" บนคาร์บอนβ (ที่ตำแหน่ง 3 เทียบกับกลุ่มคาร์บอกซิลเทอร์มินัล) ปล่อยชิ้นส่วนของคาร์บอนสองอะตอม

ต่อมาแสดงให้เห็นว่ากระบวนการนี้ต้องการพลังงานในรูปของ ATP ซึ่งผลิตในไมโทคอนเดรียและชิ้นส่วนของคาร์บอนสองอะตอมจะเข้าสู่วงจร Krebs ในรูปแบบของอะซิทิล - โคเอ

ในระยะสั้นการออกซิเดชั่นเบต้าของกรดไขมันเกี่ยวข้องกับการกระตุ้นของหมู่คาร์บอกซิลเทอร์มินัลการขนส่งกรดไขมันที่กระตุ้นไปยังเมทริกซ์ไมโทคอนเดรียและการเกิดออกซิเดชันแบบ "ก้าว" ของคาร์บอนสองต่อสองจากหมู่คาร์บอกซิล

เช่นเดียวกับกระบวนการ anabolic และ catabolic หลาย ๆ อย่างเส้นทางนี้ได้รับการควบคุมเนื่องจากมีการเคลื่อนย้ายกรดไขมัน "สำรอง" เมื่อเส้นทาง catabolic อื่น ๆ ไม่เพียงพอที่จะตอบสนองความต้องการพลังงานของเซลล์และร่างกาย

ขั้นตอนและปฏิกิริยา

กรดไขมันส่วนใหญ่อยู่ในไซโตซอลไม่ว่าจะมาจากวิถีการสังเคราะห์ทางชีวภาพหรือจากไขมันสะสมที่เก็บจากอาหารที่กินเข้าไป (ซึ่งต้องเข้าสู่เซลล์)

- กระตุ้นกรดไขมันและขนส่งไปยังไมโตคอนเดรีย

การกระตุ้นกรดไขมันจำเป็นต้องใช้โมเลกุลของ ATP และเกี่ยวข้องกับการสร้างคอนจูเกตของอะซิลไธโอเอสเตอร์กับโคเอนไซม์เอ

การกระตุ้นนี้ถูกเร่งโดยกลุ่มของเอนไซม์ที่เรียกว่า acetyl-CoA ligases ที่จำเพาะกับความยาวสายโซ่ของกรดไขมันแต่ละชนิด เอนไซม์เหล่านี้บางชนิดจะกระตุ้นกรดไขมันเมื่อถูกลำเลียงเข้าสู่ไมโทคอนเดรียเมทริกซ์เนื่องจากถูกฝังอยู่ในเยื่อไมโทคอนเดรียชั้นนอก

การกระตุ้นกรดไขมัน (ที่มา: Jag123 ที่ English Wikipedia ผ่าน Wikimedia Commons)

กระบวนการกระตุ้นเกิดขึ้นในสองขั้นตอนโดยขั้นแรกผลิตอะซิลอะดีโนเลตจากกรดไขมันที่กระตุ้นด้วย ATP ซึ่งจะปล่อยโมเลกุลไพโรฟอสเฟต (PPi) จากนั้นกลุ่มคาร์บอกซิลที่เปิดใช้งานโดย ATP จะถูกโจมตีโดยกลุ่ม thiol ของโคเอนไซม์ A เพื่อสร้าง acyl-CoA

การย้ายตำแหน่งของ acyl-CoA ผ่านเยื่อไมโทคอนเดรียทำได้โดยระบบขนส่งที่เรียกว่าคาร์นิทีนกระสวย

- เบต้าออกซิเดชันของกรดไขมันอิ่มตัวที่มีคาร์บอนอะตอมจำนวนเท่ากัน

การย่อยสลายของกรดไขมันเป็นเส้นทางวัฏจักรเนื่องจากการปลดปล่อยแต่ละส่วนของคาร์บอนสองอะตอมจะตามมาด้วยอีกส่วนหนึ่งทันทีจนกว่าจะถึงความยาวเต็มที่ของโมเลกุล ปฏิกิริยาที่มีส่วนในกระบวนการนี้มีดังต่อไปนี้:

- Dehydrogenation.

- ไฮเดรชั่นของพันธะคู่

- Dehydrogenation ของกลุ่มไฮดรอกซิล

- การแยกส่วนโดยการโจมตีของโมเลกุล acetyl-CoA บนβคาร์บอน

ปฏิกิริยาที่ 1: การคายน้ำครั้งแรก

ประกอบด้วยการก่อตัวของพันธะคู่ระหว่างα-carbon และβ-carbon โดยการกำจัดไฮโดรเจนสองอะตอม มันถูกเร่งปฏิกิริยาโดยเอนไซม์ acyl-CoA dehydrogenase ซึ่งสร้างโมเลกุลของ trans∆2-enoyl-S-CoA และโมเลกุลของ FAD + (โคแฟกเตอร์)

ปฏิกิริยาที่ 2 และ 3: การให้น้ำและการคายน้ำ

ไฮเดรชันถูกเร่งปฏิกิริยาโดย enoyl-CoA hydratase ในขณะที่ dehydrogenation ถูกทำให้เป็นสื่อกลางโดย 3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase และปฏิกิริยาหลังขึ้นอยู่กับปัจจัยร่วม NAD +

การให้น้ำของ trans∆2-enoyl-S-CoA ทำให้เกิด 3-hydroxyacyl-CoA ซึ่ง dehydrogenation จะสร้างโมเลกุล 3-ketoacyl-CoA และ NADH + H

FADH2 และ NADH ที่เกิดขึ้นในสามปฏิกิริยาแรกของการออกซิเดชั่นของเบต้าจะถูกออกซิเดชั่นอีกครั้งผ่านห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนเนื่องจากพวกมันมีส่วนร่วมในการผลิต ATP, 2 โมเลกุลสำหรับแต่ละ FADH2 และ 3 โมเลกุลสำหรับแต่ละ NADH

ปฏิกิริยาที่ 4: การแยกส่วน

แต่ละวัฏจักรของการออกซิเดชั่นของเบต้าที่กำจัดโมเลกุลที่มีคาร์บอนสองอะตอมจะสิ้นสุดลงด้วยความแตกแยก "ไทโอไลติก" ของคีโตคาร์บอนซึ่งถูกโจมตีโดยโคเอนไซม์เอที่พันธะระหว่างคาร์บอนαและβ

ปฏิกิริยานี้เร่งปฏิกิริยาโดยเอนไซม์β-ketothiolase หรือ thiolase และผลิตภัณฑ์ของมันคือโมเลกุลของ acyl-CoA หนึ่งโมเลกุล (กรดไขมันกระตุ้นที่มีคาร์บอนน้อยกว่าสองอะตอม) และหนึ่งใน acetyl-CoA

- เบต้าออกซิเดชันของกรดไขมันอิ่มตัวที่มีคาร์บอนอะตอมเป็นจำนวนคี่

ในกรดไขมันที่มีคาร์บอนอะตอมจำนวนคี่ (ซึ่งมีไม่มากนัก) โมเลกุลของวัฏจักรการย่อยสลายสุดท้ายจะมีคาร์บอน 5 อะตอมดังนั้นการแตกตัวของมันจะสร้างโมเลกุล acetyl-CoA (ซึ่งเข้าสู่วัฏจักรของ Krebs) และ propionyl-CoA

propionyl-CoA ต้องได้รับคาร์บอกซิล (ปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับ ATP และไบคาร์บอเนต) โดยเอนไซม์โพรพิโอนิลโคเอคาร์บอกซิเลสจึงสร้างสารประกอบที่เรียกว่า D-methylmalonyl-CoA ซึ่งจะต้องถูก epimerized เป็นรูปแบบ "L"

เบต้าออกซิเดชันของกรดไขมันเลขคี่ (ที่มา: Eleska ผ่าน Wikimedia Commons)

จากนั้นสารประกอบที่เกิดจาก epimerization จะถูกเปลี่ยนเป็น succinyl-CoA โดยการกระทำของเอนไซม์ L-methylmalonyl-CoA mutase และโมเลกุลนี้รวมทั้ง acetyl-CoA จะเข้าสู่วงจรกรดซิตริก

- เบต้าออกซิเดชั่นของกรดไขมันไม่อิ่มตัว

ไขมันในเซลล์จำนวนมากมีสายโซ่ของกรดไขมันไม่อิ่มตัวกล่าวคือมีพันธะคู่อย่างน้อยหนึ่งพันธะระหว่างอะตอมของคาร์บอน

การออกซิเดชั่นของกรดไขมันเหล่านี้แตกต่างจากกรดไขมันอิ่มตัวเล็กน้อยเนื่องจากเอนไซม์เพิ่มเติมอีก 2 ชนิดคือ enoyl-CoA isomerase และ 2,4-dienoyl-CoA reductase ทำหน้าที่กำจัดความไม่อิ่มตัวเหล่านี้เพื่อให้กรดไขมันเหล่านี้ อาจเป็นสารตั้งต้นของเอนไซม์ enoyl-CoA hydratase

เบต้าออกซิเดชันของกรดไขมันไม่อิ่มตัว (ที่มา: Hajime7basketball ผ่าน Wikimedia Commons)

Enoyl-CoA isomerase ทำหน้าที่กับกรดไขมันไม่อิ่มตัวเชิงเดี่ยว (ที่มีความไม่อิ่มตัวเพียงชนิดเดียว) ในขณะที่เอนไซม์ 2,4-dienoyl-CoA reductase ทำปฏิกิริยากับกรดไขมันไม่อิ่มตัวเชิงซ้อน (ที่มีความไม่อิ่มตัวตั้งแต่สองชนิดขึ้นไป)

- เบต้าออกซิเดชั่นภายนอก

การออกซิเดชั่นเบต้าของกรดไขมันยังสามารถเกิดขึ้นภายในออร์แกเนลล์ไซโตโซลิกอื่น ๆ เช่นเพอรอกซิโซมด้วยความแตกต่างที่อิเล็กตรอนที่ถ่ายโอนไปยัง FAD + จะไม่ถูกส่งไปยังห่วงโซ่ทางเดินหายใจ แต่โดยตรงไปยังออกซิเจน

ปฏิกิริยานี้ก่อให้เกิดไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (ออกซิเจนจะลดลง) ซึ่งเป็นสารประกอบที่ถูกกำจัดโดยเอนไซม์คาตาเลสโดยเฉพาะกับออร์แกเนลล์เหล่านี้

ผลิตภัณฑ์ของเบต้าออกซิเดชั่น

การเกิดออกซิเดชันของกรดไขมันให้พลังงานมากกว่าการสลายคาร์โบไฮเดรต ผลิตภัณฑ์หลักของเบต้าออกซิเดชั่นคือ acetyl-CoA ที่ผลิตในแต่ละขั้นตอนของส่วนที่เป็นวัฏจักรของเส้นทางอย่างไรก็ตามผลิตภัณฑ์อื่น ๆ ได้แก่ :

- AMP, H + และ pyrophosphate (PPi) ผลิตขึ้นระหว่างการเปิดใช้งาน

- FADH2 และ NADH สำหรับ acetyl-CoA ที่ผลิต

- Succinyl-CoA, ADP, Pi สำหรับกรดไขมันสายโซ่คี่

เบต้าออกซิเดชันของกรดปาล์มิติก (ที่มา:´Rojinbkht ผ่าน Wikimedia Commons)

ถ้าเราพิจารณาเป็นตัวอย่างการออกซิเดชั่นเบต้าที่สมบูรณ์ของกรดปาล์มิติก (palmitate) ซึ่งเป็นกรดไขมันที่มีคาร์บอน 16 อะตอมปริมาณพลังงานที่ผลิตได้จะเทียบเท่ากับ ATP 129 โมเลกุลมากหรือน้อยซึ่งมาจาก 7 รอบที่ต้องทำให้สมบูรณ์ วงจร

ระเบียบข้อบังคับ

การควบคุมการออกซิเดชั่นเบต้าของกรดไขมันในเซลล์ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับความพร้อมของพลังงานไม่เพียง แต่เกี่ยวข้องกับคาร์โบไฮเดรตเท่านั้น แต่ยังรวมถึงกรดไขมันด้วย

สัตว์ควบคุมการระดมพลดังนั้นการสลายไขมันผ่านสิ่งเร้าของฮอร์โมนซึ่งในเวลาเดียวกันจะถูกควบคุมโดยโมเลกุลเช่นแคมป์เป็นต้น

ในตับซึ่งเป็นอวัยวะหลักในการสลายไขมันความเข้มข้นของ malonyl-CoA มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการควบคุมการเกิดออกซิเดชันของเบต้า นี่เป็นสารตั้งต้นแรกที่เกี่ยวข้องกับวิถีการสังเคราะห์กรดไขมัน

เมื่อ malonyl-CoA สะสมในสัดส่วนที่มากจะส่งเสริมการสังเคราะห์กรดไขมันและยับยั้งไมโตคอนเดรียลำเลียงหรือกระสวยอะซิล - คาร์นิทีน เมื่อความเข้มข้นลดลงการยับยั้งจะหยุดลงและเปิดใช้งานการออกซิเดชั่นของเบต้า

อ้างอิง

1. Mathews, C. , van Holde, K. , & Ahern, K. (2000). ชีวเคมี (ฉบับที่ 3) ซานฟรานซิสโกแคลิฟอร์เนีย: Pearson
2. Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Lehninger หลักการทางชีวเคมี Omega Editions (ฉบับที่ 5)
3. Rawn, JD (1998). ชีวเคมี. เบอร์ลิงตันแมสซาชูเซตส์: Neil Patterson Publishers
4. ชูลซ์, H. (1991). เบต้าออกซิเดชั่นของกรดไขมัน Biochimica et Biophysica Acta, 1081, 109–120
5. ชูลซ์, H. (1994). ระเบียบการออกซิเดชั่นของกรดไขมันในหัวใจ Critical Review, 165–171
6. Schulz, H. , & Kunau, W. (1987). เบต้า - ออกซิเดชั่นของกรดไขมันไม่อิ่มตัว: แนวทางแก้ไข TIBS, 403-406