किसी भी जीव के जीवन की मुख्य शर्त ऊर्जा की निरंतर आपूर्ति होती है, जो विभिन्न कोशिकीय प्रक्रियाओं पर खर्च होती है। इसी समय, पोषक तत्वों के यौगिकों का एक निश्चित हिस्सा तुरंत उपयोग नहीं किया जा सकता है, लेकिन भंडार में परिवर्तित किया जा सकता है। ऐसे जलाशय की भूमिका वसा (लिपिड) द्वारा की जाती है, जिसमें ग्लिसरॉल और फैटी एसिड होते हैं। बाद वाले का उपयोग सेल द्वारा ईंधन के रूप में किया जाता है। इस मामले में, फैटी एसिड CO2 और H2O.
में ऑक्सीकृत हो जाते हैं।
फैटी एसिड मूल बातें
फैटी एसिड विभिन्न लंबाई (4 से 36 परमाणुओं तक) की कार्बन श्रृंखलाएं होती हैं, जिन्हें रासायनिक रूप से कार्बोक्जिलिक एसिड के रूप में वर्गीकृत किया जाता है। ये जंजीरें या तो शाखित या अशाखित हो सकती हैं और इनमें अलग-अलग संख्या में दोहरे बंधन होते हैं। यदि उत्तरार्द्ध पूरी तरह से अनुपस्थित हैं, तो फैटी एसिड को संतृप्त (पशु मूल के कई लिपिड के लिए विशिष्ट) कहा जाता है, और अन्यथा -असंतृप्त डबल बॉन्ड की व्यवस्था के अनुसार, फैटी एसिड मोनोअनसैचुरेटेड और पॉलीअनसेचुरेटेड में विभाजित होते हैं।
अधिकांश श्रृंखलाओं में कार्बन परमाणुओं की संख्या सम होती है, जो उनके संश्लेषण की ख़ासियत के कारण होती है। हालांकि, विषम संख्या में लिंक के साथ कनेक्शन हैं। इन दो प्रकार के यौगिकों का ऑक्सीकरण थोड़ा भिन्न होता है।
सामान्य विशेषताएं
फैटी एसिड ऑक्सीकरण की प्रक्रिया जटिल और बहु-चरणीय है। यह कोशिका में उनके प्रवेश से शुरू होता है और श्वसन श्रृंखला में समाप्त होता है। उसी समय, अंतिम चरण वास्तव में कार्बोहाइड्रेट के अपचय को दोहराते हैं (क्रेब्स चक्र, एक मैक्रोर्जिक बंधन में ट्रांसमेम्ब्रेन ढाल की ऊर्जा का परिवर्तन)। प्रक्रिया के अंतिम उत्पाद एटीपी, सीओ2 और पानी हैं।
यूकैरियोटिक कोशिका में फैटी एसिड का ऑक्सीकरण माइटोकॉन्ड्रिया (सबसे विशिष्ट स्थानीयकरण स्थल), पेरोक्सिसोम या एंडोप्लाज्मिक रेटिकुलम में किया जाता है।
ऑक्सीकरण की किस्में (प्रकार)
फैटी एसिड ऑक्सीकरण तीन प्रकार के होते हैं: α, β और । अक्सर, यह प्रक्रिया β-तंत्र द्वारा आगे बढ़ती है और माइटोकॉन्ड्रिया में स्थानीयकृत होती है। ओमेगा मार्ग β-तंत्र का एक छोटा विकल्प है और एंडोप्लाज्मिक रेटिकुलम में किया जाता है, जबकि अल्फा तंत्र केवल एक प्रकार के फैटी एसिड (फाइटैनिक) की विशेषता है।
माइटोकॉन्ड्रिया में फैटी एसिड ऑक्सीकरण की जैव रसायन
सुविधा के लिए, माइटोकॉन्ड्रियल अपचय की प्रक्रिया को पारंपरिक रूप से 3 चरणों में विभाजित किया गया है:
- सक्रियण और माइटोकॉन्ड्रिया में परिवहन;
- ऑक्सीकरण;
- क्रेब्स चक्र और विद्युत परिवहन श्रृंखला के माध्यम से गठित एसिटाइल-कोएंजाइम ए का ऑक्सीकरण।
सक्रियण एक प्रारंभिक प्रक्रिया है जो फैटी एसिड को जैव रासायनिक परिवर्तनों के लिए उपलब्ध रूप में बदल देती है, क्योंकि ये अणु स्वयं निष्क्रिय होते हैं। इसके अलावा, सक्रियण के बिना, वे माइटोकॉन्ड्रियल झिल्ली में प्रवेश नहीं कर सकते हैं। यह चरण माइटोकॉन्ड्रिया की बाहरी झिल्ली पर होता है।
दरअसल, ऑक्सीकरण प्रक्रिया का एक महत्वपूर्ण चरण है। इसमें चार चरण शामिल हैं, जिसके बाद फैटी एसिड एसिटाइल-सीओए अणुओं में परिवर्तित हो जाता है। वही उत्पाद कार्बोहाइड्रेट के उपयोग के दौरान बनता है, ताकि बाद के चरण एरोबिक ग्लाइकोलाइसिस के अंतिम चरणों के समान हों। एटीपी का निर्माण इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला में होता है, जहां विद्युत रासायनिक क्षमता की ऊर्जा का उपयोग मैक्रोर्जिक बंधन बनाने के लिए किया जाता है।
फैटी एसिड ऑक्सीकरण की प्रक्रिया में, एसिटाइल-सीओए के अलावा, एनएडीएच और एफएडीएच अणु भी बनते हैं2, जो इलेक्ट्रॉन दाताओं के रूप में श्वसन श्रृंखला में भी प्रवेश करते हैं। नतीजतन, लिपिड अपचय का कुल ऊर्जा उत्पादन काफी अधिक है। इसलिए, उदाहरण के लिए, β-तंत्र द्वारा पामिटिक एसिड का ऑक्सीकरण 106 एटीपी अणु देता है।
माइटोकॉन्ड्रियल मैट्रिक्स में सक्रियण और स्थानांतरण
फैटी एसिड स्वयं निष्क्रिय होते हैं और ऑक्सीकृत नहीं हो सकते। सक्रियण उन्हें जैव रासायनिक परिवर्तनों के लिए उपलब्ध रूप में लाता है। इसके अलावा, ये अणु अपरिवर्तित माइटोकॉन्ड्रिया में प्रवेश नहीं कर सकते।
सक्रियण का सार हैएक फैटी एसिड का उसके एसाइल-सीओए-थियोस्टर में रूपांतरण, जो बाद में ऑक्सीकरण से गुजरता है। यह प्रक्रिया माइटोकॉन्ड्रिया की बाहरी झिल्ली से जुड़े विशेष एंजाइमों - थियोकिनेस (एसाइल-सीओए सिंथेटेस) द्वारा की जाती है। प्रतिक्रिया दो चरणों में आगे बढ़ती है, जो दो एटीपी की ऊर्जा के व्यय से जुड़ी होती है।
सक्रियण के लिए तीन घटकों की आवश्यकता होती है:
- एटीएफ;
- एचएस-सीओए;
- एमजी2+.
सबसे पहले, फैटी एसिड एटीपी के साथ प्रतिक्रिया करके एसाइलैडेनाइलेट (एक मध्यवर्ती) बनाता है। वह, बदले में, HS-CoA के साथ प्रतिक्रिया करता है, जिसका थियोल समूह AMP को विस्थापित करता है, कार्बोक्सिल समूह के साथ एक थियोथर बंधन बनाता है। नतीजतन, पदार्थ एसाइल-सीओए बनता है - एक फैटी एसिड व्युत्पन्न, जिसे माइटोकॉन्ड्रिया में ले जाया जाता है।
माइटोकॉन्ड्रिया में परिवहन
इस चरण को कार्निटाइन के साथ ट्रान्सएस्टरीफिकेशन कहा जाता है। एसाइल-सीओए का माइटोकॉन्ड्रियल मैट्रिक्स में स्थानांतरण कार्निटाइन और विशेष एंजाइमों - कार्निटाइन एसाइलट्रांसफेरेज़ की भागीदारी के साथ छिद्रों के माध्यम से किया जाता है।
झिल्लियों में परिवहन के लिए, सीओए को कार्निटाइन द्वारा प्रतिस्थापित कर एसाइल-कार्निटाइन बनाया जाता है। इस पदार्थ को एसाइल-कार्निटाइन/कार्निटाइन ट्रांसपोर्टर सुगम प्रसार द्वारा मैट्रिक्स में ले जाया जाता है।
माइटोकॉन्ड्रिया के अंदर, एक उलटा प्रतिक्रिया होती है, जिसमें रेटिना की टुकड़ी होती है, जो फिर से झिल्लियों में प्रवेश करती है, और एसाइल-सीओए की बहाली (इस मामले में, "स्थानीय" कोएंजाइम ए का उपयोग किया जाता है, और वह नहीं जिसके साथ बंधन बना थासक्रियण चरण में)।
β-तंत्र द्वारा फैटी एसिड ऑक्सीकरण की मुख्य प्रतिक्रियाएं
फैटी एसिड का ऊर्जा उपयोग का सबसे सरल प्रकार का β-ऑक्सीकरण है, जिसमें दोहरे बंधन नहीं होते हैं, जिसमें कार्बन इकाइयों की संख्या सम होती है। इस प्रक्रिया के लिए सब्सट्रेट, जैसा कि ऊपर बताया गया है, एसाइल कोएंजाइम ए है।
फैटी एसिड के β-ऑक्सीकरण की प्रक्रिया में 4 प्रतिक्रियाएं होती हैं:
- डीहाइड्रोजनीकरण एक β-कार्बन परमाणु से हाइड्रोजन का विभाजन है, जिसमें α और β-स्थिति (पहले और दूसरे परमाणु) में स्थित श्रृंखला लिंक के बीच एक डबल बॉन्ड का निर्माण होता है। नतीजतन, एनॉयल-सीओए बनता है। प्रतिक्रिया एंजाइम एसाइल-सीओए डिहाइड्रोजनेज है, जो कोएंजाइम एफएडी के साथ संयोजन में कार्य करता है (बाद वाला एफएडीएच 2 में कम हो जाता है)।
- हाइड्रेशन एनॉयल-सीओए में एक पानी के अणु का जोड़ है, जिसके परिणामस्वरूप एल-β-हाइड्रॉक्सीएसिल-सीओए का निर्माण होता है। एनॉयल-सीओए-हाइड्रैटेज द्वारा किया गया।
- डीहाइड्रोजनीकरण - β-ketoacyl-coenzyme A के गठन के साथ NAD-निर्भर डिहाइड्रोजनेज द्वारा पिछली प्रतिक्रिया के उत्पाद का ऑक्सीकरण। इस मामले में, NAD NADH में कम हो जाता है।
- β-ketoacyl-CoA का एसिटाइल-सीओए और 2-कार्बन छोटा एसाइल-सीओए में दरार। प्रतिक्रिया थियोलेस की क्रिया के तहत की जाती है। एक शर्त मुफ्त एचएस-सीओए की उपस्थिति है।
फिर सब कुछ फिर से पहली प्रतिक्रिया से शुरू होता है।
सभी चरणों की चक्रीय पुनरावृत्ति तब तक की जाती है जब तक कि फैटी एसिड की पूरी कार्बन श्रृंखला एसिटाइल-कोएंजाइम ए के अणुओं में परिवर्तित नहीं हो जाती।
पामिटॉयल-सीओए ऑक्सीकरण के उदाहरण पर एसिटाइल-सीओए और एटीपी का निर्माण
प्रत्येक चक्र के अंत में, acyl-CoA, NADH और FADH2 अणु एक ही मात्रा में बनते हैं, और acyl-CoA-thioether श्रृंखला दो परमाणुओं से छोटी हो जाती है। इलेक्ट्रोट्रांसपोर्ट श्रृंखला में इलेक्ट्रॉनों को स्थानांतरित करके, FADH2 डेढ़ एटीपी अणु देता है, और NADH दो। नतीजतन, एसिटाइल-सीओए की ऊर्जा उपज की गणना नहीं करते हुए, एक चक्र से 4 एटीपी अणु प्राप्त होते हैं।
पामिटिक एसिड श्रृंखला में 16 कार्बन परमाणु होते हैं। इसका मतलब है कि ऑक्सीकरण के चरण में आठ एसिटाइल-सीओए के गठन के साथ 7 चक्र किए जाने चाहिए, और इस मामले में एनएडीएच और एफएडीएच 2 से ऊर्जा उपज 28 एटीपी अणु होगी। (4×7)। एसिटाइल-सीओए का ऑक्सीकरण भी ऊर्जा के निर्माण में जाता है, जो क्रेब्स चक्र के उत्पादों के विद्युत परिवहन श्रृंखला में प्रवेश करने के परिणामस्वरूप संग्रहीत होता है।
ऑक्सीकरण चरणों और क्रेब्स चक्र की कुल उपज
एसिटिल-सीओए के ऑक्सीकरण के परिणामस्वरूप 10 एटीपी अणु प्राप्त होते हैं। चूंकि पामिटॉयल-सीओए के अपचय से 8 एसिटाइल-सीओए प्राप्त होते हैं, इसलिए ऊर्जा की पैदावार 80 एटीपी (10×8) होगी। यदि आप इसे NADH और FADH2 के ऑक्सीकरण के परिणाम में जोड़ते हैं, तो आपको 108 अणु (80+28) मिलते हैं। इस राशि से 2 एटीपी घटाया जाना चाहिए, जो फैटी एसिड को सक्रिय करने के लिए गया था।
पामिटिक एसिड के ऑक्सीकरण के लिए अंतिम समीकरण होगा: पामिटॉयल-सीओए + 16 ओ2 + 108 पाई + 80 एडीपी=सीओए + 108 एटीपी + 16 सीओ2 + 16 एच2ओ.
ऊर्जा रिलीज की गणना
ऊर्जा निकासएक विशेष फैटी एसिड के अपचय पर निर्भर करता है इसकी श्रृंखला में कार्बन इकाइयों की संख्या। एटीपी अणुओं की संख्या की गणना सूत्र द्वारा की जाती है:
[4(n/2 - 1) + n/2×10] - 2, जहां 4 एनएडीएच और एफएडीएच 2 के कारण प्रत्येक चक्र के दौरान उत्पन्न एटीपी की मात्रा है, (एन/2 - 1) चक्रों की संख्या है, एन/2×10 एसिटाइल के ऑक्सीकरण से ऊर्जा उपज है- सीओए, और 2 सक्रियण की लागत है।
प्रतिक्रियाओं की विशेषताएं
असंतृप्त वसीय अम्लों के ऑक्सीकरण में कुछ ख़ासियतें होती हैं। इस प्रकार, दोहरे बंधनों के साथ ऑक्सीकरण श्रृंखलाओं की कठिनाई इस तथ्य में निहित है कि बाद वाले को एनॉयल-सीओए-हाइड्रैटेज के संपर्क में नहीं लाया जा सकता है क्योंकि वे सीआईएस स्थिति में हैं। एनॉयल-सीओए आइसोमेरेज़ द्वारा यह समस्या समाप्त हो जाती है, जिसके कारण बांड एक ट्रांस कॉन्फ़िगरेशन प्राप्त करता है। नतीजतन, अणु बीटा-ऑक्सीकरण के पहले चरण के उत्पाद के समान हो जाता है और जलयोजन से गुजर सकता है। केवल एकल बंध वाली साइटें उसी तरह से ऑक्सीकृत होती हैं जैसे संतृप्त अम्ल।
कभी-कभी प्रक्रिया जारी रखने के लिए एनॉयल-सीओए-आइसोमेरेज़ पर्याप्त नहीं होता है। यह उन जंजीरों पर लागू होता है जिनमें cis9-cis12 विन्यास मौजूद होता है (9वें और 12वें कार्बन परमाणुओं पर दोहरे बंधन)। यहां, न केवल विन्यास एक बाधा है, बल्कि श्रृंखला में दोहरे बंधनों की स्थिति भी है। बाद वाले को एंजाइम 2,4-डायनॉयल-सीओए रिडक्टेस द्वारा ठीक किया जाता है।
विषम वसा अम्लों का अपचय
इस प्रकार का एसिड प्राकृतिक (प्राकृतिक) मूल के अधिकांश लिपिड के लिए विशिष्ट है। यह एक निश्चित जटिलता पैदा करता है, क्योंकि प्रत्येक चक्रलिंक की एक समान संख्या से छोटा करने का तात्पर्य है। इस कारण से, इस समूह के उच्च फैटी एसिड का चक्रीय ऑक्सीकरण एक उत्पाद के रूप में 5-कार्बन यौगिक की उपस्थिति तक जारी रहता है, जिसे एसिटाइल-सीओए और प्रोपियोनील-कोएंजाइम ए में विभाजित किया जाता है। दोनों यौगिक तीन प्रतिक्रियाओं के दूसरे चक्र में प्रवेश करते हैं।, जिसके परिणामस्वरूप succinyl-CoA बनता है। यह वह है जो क्रेब्स चक्र में प्रवेश करता है।
पेरोक्सिसोम में ऑक्सीकरण की विशेषताएं
पेरॉक्सिसोम में, फैटी एसिड ऑक्सीकरण एक बीटा तंत्र के माध्यम से होता है जो माइटोकॉन्ड्रियल के समान है, लेकिन समान नहीं है। इसमें 4 चरण भी होते हैं, जो एसिटाइल-सीओए के रूप में उत्पाद के निर्माण में परिणत होते हैं, लेकिन इसमें कई महत्वपूर्ण अंतर होते हैं। इस प्रकार, डिहाइड्रोजनीकरण चरण में विभाजित हाइड्रोजन एफएडी को बहाल नहीं करता है, लेकिन हाइड्रोजन पेरोक्साइड के गठन के साथ ऑक्सीजन में जाता है। उत्तरार्द्ध तुरंत उत्प्रेरित की कार्रवाई के तहत दरार से गुजरता है। नतीजतन, श्वसन श्रृंखला में एटीपी को संश्लेषित करने के लिए इस्तेमाल की जा सकने वाली ऊर्जा गर्मी के रूप में समाप्त हो जाती है।
दूसरा महत्वपूर्ण अंतर यह है कि कुछ पेरोक्सीसोम एंजाइम कुछ कम प्रचुर मात्रा में फैटी एसिड के लिए विशिष्ट होते हैं और माइटोकॉन्ड्रियल मैट्रिक्स में मौजूद नहीं होते हैं।
यकृत कोशिकाओं के पेरोक्सीसोम की विशेषता यह है कि क्रेब्स चक्र का कोई एंजाइमेटिक उपकरण नहीं है। इसलिए, बीटा-ऑक्सीकरण के परिणामस्वरूप, लघु-श्रृंखला उत्पाद बनते हैं, जिन्हें ऑक्सीकरण के लिए माइटोकॉन्ड्रिया में ले जाया जाता है।
