Главное условие жизни любого организма - непрерывное поступление энергии, которая расходуется на различные клеточные процессы. При этом определенная часть питательных соединений может использоваться не сразу, а преобразовываться в запасы. Роль такого резервуара выполняют жиры (липиды), состоящие из глицерина и жирных кислот. Последние и используются клеткой в качестве топлива. При этом осуществляется окисление жирных кислот до СО 2 и Н 2 О.
Основные сведения о жирных кислотах
Жирные кислоты представляют собой углеродные цепи различной длины (от 4 до 36 атомов), которых по химической природе относят к карбоновым кислотам. Эти цепи могут быть как разветвленными, так и не разветвленными и содержать разное количество двойных связей. Если последние полностью отсутствуют, жирные кислоты называют насыщенными (характерно для многих липидов животного происхождения), а в противном случае - ненасыщенными. По расположению двойных связей жирные кислоты подразделяют на мононенасыщенные и полиненасыщенные.
Большинство цепей содержит четное число атомов углерода, что связано с особенностью их синтеза. Однако есть соединения с нечетным количеством звеньев. Окисление этих двух типов соединений несколько отличается.
Общая характеристика
Процесс окисления жирных кислот сложный и многостадийный. Он начинается с их проникновения в клетку и завершается в При этом заключительные этапы фактически повторяют катаболизм углеводов (цикл Кребса, превращение энергии трансмембранного градиента в Конечными продуктами процесса являются АТФ, CO 2 и вода.
Окисление жирных кислот в клетке эукариот осуществляется в митохондриях (наиболее характерное место локализации), пероксисомах или эндоплазматическом ретикулуме.
Разновидности (типы) окисления
Существует три типа окисления жирных кислот: α, β и ω. Наиболее часто этот процесс протекает по β-механизму и локализуется в митохондриях. Омега-путь представляет собой второстепенную альтернативу β-механизму и осуществляется в эндоплазматическом ретикулуме, а альфа-механизм характерен только для одного вида жирной кислоты (фитановой).
Биохимия окисления жирных кислот в митохондриях
Для удобства процесс митохондриального катаболизма условно подразделяется на 3 этапа:
- активация и транспортировка в митохондрии;
- окисление;
- окисление образовавшегося ацетил-коэнзима А через цикл Кребса и электротранспортную цепь.
Активация представляет собой подготовительный процесс, который переводит жирные кислоты в форму, доступную для биохимических превращений, так как сами по себе эти молекулы инертны. Кроме того, без активации они не могут проникнуть в мембраны митохондрий. Эта стадия протекает у внешней мембраны митохондрий.
Собственно, окисление - ключевой этап процесса. Оно включает четыре стадии, по окончании которых жирная кислота превращается в молекулы Ацетил-КоА. Тот же продукт образуется и при утилизации углеводов, так что дальнейшие этапы аналогичны последним стадиям аэробного гликолиза. Образование АТФ происходит в цепи переноса электронов, где энергия электрохимического потенциала используется для образования макроэргической связи.
В процессе окисления жирной кислоты кроме Ацетил-КоА образуются также молекулы NADH и FADH 2 , которые тоже поступают в дыхательную цепь в качестве доноров электронов. В результате суммарный энергетический выход катаболизма липидов достаточно высок. Так, к примеру, окисление пальмитиновой кислоты по β-механизму дает 106 молекул АТФ.
Активация и перенос в митохондриальный матрикс
Жирные кислоты сами по себе инертны и не могут подвергаться окислению. Активация приводит их в форму, доступную для биохимических превращений. Кроме того, в неизменном виде эти молекулы не могут проникнуть в митохондрии.
Суть активации заключается в превращении жирной кислоты в ее Ацил-СоА-тиоэфир, который впоследствии и подвергается окислению. Этот процесс осуществляется специальными ферментами - тиокиназами (Ацил-СоА-синтетазами), прикрепленными к внешней мембране митохондрий. Реакция протекает в 2 этапа, сопряженных с затратой энергии двух АТФ.
Для активации необходимы три компонента:
- HS-CoA;
- Mg 2+ .
Вначале жирная кислота взаимодействует с АТФ с образованием ациладенилата (промежуточное соединение). Тот, в свою очередь, реагирует с HS-CoA, тиоловая группа которого вытесняет АМФ, формируя тиоэфирную связь с карбоксильной группой. В результате образуется вещество ацил-CoA - производное жирной кислоты, которое и транспортируется в митохондрии.
Транспортировка в митохондрии
Эта стадия получила название трансэтирификации с карнитином. Перенос ацил-CoA в митихондриальных матрикс осуществляется через поры с участием карнитина и специальных ферментов - карнитин-ацилтрансфераз.
Для транспортировки через мембраны CoA заменяется на карнитин с образованием ацил-карнитина. Это вещество переносится в матрикс методом облегченной диффузии с участием ацил-карнитин/карнитинового переносчика.
Внутри митохондрий осуществляется реакция обратного характера, заключающаяся в отсоединении ретиналя, вновь поступающего в мембраны, и восстановлении ацил-CoA (в данном случае используется "местный" коэнзим А, а не тот, с которым была образована связь на стадии активации).
Основные реакции окисления жирных кислот по β-механизму
К самому простому типу энергетической утилизации жирных кислот относят β-окисление не имеющих двойных связей цепей, в которых количество углеродных звеньев четное. В качестве субстрата для этого процесса, как уже выше отмечалось, выступает ацил коэнзима А.
Процесс β-окисления жирных кислот состоит из 4 реакций:
- Дегидрирование - отщепление водорода от β-углеродного атома с возникновением двойной связи между звеньями цепи, находящимися в α и β-положениях (первый и второй атомы). В результате образуется еноил-CoA. Ферментом реакции является ацил-CoA-дегидрогеназа, которая действует в комплексе с кофермента ФАД (последний восстанавливается до ФАДН2).
- Гидратация - присоединение молекулы воды к еноил-CoA, в результате чего образуется L-β-гидроксиацил-CoA. Осуществляется еноил-CoA-гидратазой.
- Дегидрирование - окисление продукта предыдущей реакции НАД-зависимой дегидрогеназой с образованием β-кетоацил-коэнзима А. При этом происходит восстановление НАД до НАДН.
- Расщепление β-кетоацил-CoA до ацетил-CoA и укороченного на 2 атома углерода ацил-CoA. Реакция осуществляется под действием тиолазы. Обязательным условием является присутствие свободного HS-CoA.
Затем все снова начинается с первой реакции.
Цикличное повторение всех стадий осуществляется до тех пор, пока вся углеродная цепочка жирной кислоты не превратится в молекулы ацетил-коэнзима А.
Образование Ацетил-КоА и АТФ на примере окисления пальмитоил-CoA
В конце каждого цикла в единственном количестве образуются молекулы ацил-CoA, НАДН и ФАДН2, а цепь ацил-CoA-тиоэфира становится короче на два атома. Передавая электроны в электротранспортную цепь, ФАДН2 дает полторы молекулы АТФ, а НАДН - две. В результате из одного цикла получается 4 молекулы АТФ, не считая энерговыход ацетил-CoA.
В цепочку пальмитиновой кислоты входит 16 углеродных атомов. Это означает, что на стадии окисления должно осуществиться 7 циклов с образованием восьми ацетил-CoA, а энерговыход от НАДН и ФАДН 2 в таком случае составит 28 молекул АТФ (4×7). Окисление ацетил-CoA тоже идет на образование энергии, которая запасается в результате поступления в электротранспортную цепь продуктов цикла Кребса.
Суммарный выход стадий окисления и цикла Кребса
В результате окисления ацетил-CoA получается 10 молекул АТФ. Так как катаболизм пальмитоил-CoA дает 8 ацетил-CoA, то энергитический выход будет 80 АТФ (10×8). Если сложить это с результатом окисления НАДН и ФАДН 2 , то получится 108 молекул (80+28). Из этого количества следует вычесть 2 АТФ, которые ушли на активацию жирной кислоты.
Итоговое уравнение реакции окисления пальмитиновой кислоты будет иметь вид: пальмитоил-CoA + 16 О 2 + 108 Pi + 80 АДФ = CoA + 108 АТФ + 16 СО 2 + 16 H 2 O.
Расчет выделения энергии
Энергетический выхлоп от катаболизма конкретной жирной кислоты зависит от количества углеродных звеньев в ее цепи. Число молекул АТФ рассчитывается по формуле:
где 4 - количество АТФ, образующиеся при каждом цикле за счет НАДН и ФАДН2, (n/2 - 1) - количество циклов, n/2×10 - энерговыход от окисления ацетил-CoA, а 2 - затраты на активацию.
Особенности реакций
Окисление имеет некоторые особенности. Так, сложность окисления цепей с двойными связями заключается в том, что последние не могут подвергаться воздействию еноил-CoA-гидратазы из-за того, что находятся в цис-положении. Эта проблема устраняется еноил-CoA-изомеразой, благодаря которой связь приобретает транс-конфигурацию. В результате молекула становится полностью идентичной продукту первой стадии бета-окисления и может подвергаться гидратации. Участки, содержащие только одинарные связи, окисляются так же, как насыщенные кислоты.
Иногда для продолжения процесса недостаточно еноил-CoA-изомеразы. Это касается цепей, в которых присутствует конфигурация цис9-цис12 (двойные связи при 9-м и 12-м атомах углерода). Здесь помехой является не только конфигурация, но и положение двойных связей в цепи. Последнее исправляется ферментом 2,4-диеноил-CoA-редуктазой.
Катаболизм жирных кислот с нечетным числом атомов
Такой тип кислот характерен для большей части липидов естественного (природного) происхождения. Это создает определенную сложность, так как каждый цикл подразумевает укорачивание на четное число звеньев. По этой причине циклическое окисление высших жирных кислот данной группы продолжается до появления в качестве продукта 5-углеродного соединения, которое расщепляется на ацетил-CoA и пропионил-коэнзим А. Оба соединения поступают в другой цикл из трех реакций, в результате которых образуется сукцинил-CoA. Именно он и поступает в цикл Кребса.
Особенности окисления в пероксисомах
В пероксисомах окисление жирных кислот происходит по бета-механизму, который подобен, но не идентичен митохондриальному. Он также состоит из 4-х стадий, завершающихся образованием продукта в виде ацетил-CoA, но при этом имеет несколько ключевых отличий. Так, водород, отщепившийся на стадии дегидрирования, не восстанавливает ФАД, а переходит на кислород с образованием перикиси водорода. Последний сразу подвергается расщеплению под действием каталазы. В результате энергия, которая могла быть использована для синтеза АТФ в дыхательной цепи, рассеивается в виде тепла.
Второе важное различие заключается в том, что некоторые ферменты пероксисом специфичны к определенным малораспространенным жирным кислотам и отсутствуют в митохондриальном матриксе.
Особенность пероксисом клеток печени заключается в том, что там отсутствует ферментный аппарат цикла Кребса. Поэтому в результате бета-окисления образуются короткоцепочечные продукты, которые для окисления транспортируются в митохондрии.
Окисление жирных кислот может быть патологически повышено или патологически снижено.
Увеличение скорости окисления жирных кислот, особенно при недостатке углеводов происходит:
1. При приеме богатой жирами пище.
2. При голодании.
3. При сахарном диабете.
В этом случае из ацетил-КоА, образующего при β-окислении жирных кислот в печени образуется большое количество кетоновых тел. Накопление кетоновых тел приводит к ацидозу и называется кетоз.
Снижение скорости окисления жирных кислот наблюдается при:
1. Недостатке карнитина. Наблюдается у новорожденных, чаще недоношенных детей. Обусловлено либо нарушением биосинтеза карнитина, либо его «утечкой» в почках.
Симптомы:
· приступы гипогликемии, возникающие из-за снижения глюконеогенеза в результате нарушения процесса окисления жирных кислот;
· уменьшения синтеза кетоновых тел, сопровождающееся повышением содержания свободных жирных кислот в плазме крови;
· миастения (мышечная слабость);
· накопление липидов.
Лечение: прием карнитина внутрь.
2. Снижении активности карнитин-пальмитоилтрансферазы.
В печени приводит к гипогликемии и понижению содержания кетоновых тел в плазме крови.
В мышцах - к нарушению процесса окисления жирных кислот, в результате чего возникает мышечная слабость и развивается миоглобинурия.
3. Дикарбоновой ацидурии.
Основной симптом - экскреция С 6 -С 10 -дикарбоновых кислот и развивается гипогликемия, не связанная с повышением кетоновых тел.
Этиология: отсутствие в митохондриях ацетил-КоА дегидрогеназы среднецепочечных жирных кислот, которые укорачиваются до среднецепочечных дикарбоновых кислот, выводимых из организма.
Возникает у людей после употребления незрелых плодов аки, которые содержат токсин гипоглицин, инактивирующий ацил-КоА-дегидрогеназу, в результате чего ингибируется процесс β-окисления.
5. Синдроме Цельвегера (цереброгепаторенальный синдром).
Является редким наследственным заболеванием, при котором во всех тканях отсутствует пероксисомы. У больных страдающих синдромом Цельвегера, в мозге накапливаются С 26 -С 28 -полиеновые кислоты, т.к. из-за отсутствия пероксисом у них не происходит процесс окисления длинноцепочечных жирных кислот.
6. Болезни Рефсума.
Редкое неврологическое заболевание. Связано с врожденным нарушением системы α-окисления, что приводит к накоплению в тканях фитановой кислоты, которая блокирует систему β-окисления.
Определение уровня общих липидов в плазме (сыворотке) крови по цветной реакции с сульфофосфованилиновым реактивом
Общие липиды - обобщенное понятие, включающее неэстерифицированные жирные кислоты, триглицериды, фосфолипиды, свободный и эстерифицированный холестерин, сфингомиелины.
Принцип метода: продукты распада ненасыщенных липидов образуют с реактивом (состоящим из серной, ортофосфорной кислот и ванилина) соединение, интенсивность окраски которого пропорциональна содержанию общих липидов в сыворотке крови.
Реактивы:
1. Концентрированная серная кислота;
2. Фосфорнованилиновая смесь. 4 объема концентрированной ортофосфорной кислоты смешивают с одним объемом 6 г/л раствора ванилина. Смесь хранят в посуде из темного стекла при комнатной температуре.
3. Эталонный раствор триолеина, 8 г/л.
Ход определения
К 0,02 мл сыворотки крови прибавляют 1,5 мл концентрированной серной кислоты. Содержимое перемешивают и помещают на 15 минут в кипящую водяную баню. После охлаждения гидролизата отмеривают 0,1 мл (контрольная проба 0,1 мл концентрированной серной кислоты), который переносят в другие пробирки, содержащие 1,5 мл фосфорнованилинового реактива. После перемешивания пробы инкубируют 50 минут в темном месте при комнатной температуре. Оптическую плотность пробы (А 1) и эталонного раствора (А 2) измеряют на фотоколориметре при длине волны 510-540 нм в кювете толщиной слоя 10 мм против контрольного раствора. Расчет производят по формуле: .
Нормальное содержание в сыворотке крови: 4 - 8 г/л.
Клинико-диагностическое значение. Изменения содержания в крови количественной и качественной составляющей данного показателя наблюдаются при многих заболеваниях и патологических состояниях, которые не рассматриваются в данном пособии. Применительно к мышечной деятельности наблюдается увеличение данного показателя после продолжительной физической нагрузки, что показывает степень включения липидного обмена в энергетическое обеспечение мышечной деятельности. При этом величина данного показателя обычно не выходит за референтные пределы. Более информативным является определение динамики сдвигов при физической нагрузке, составляющих данного показателя.
БИОСИНТЕЗ ЛИПИДОВ
Биосинтез липидов (липогенез) необходим для создания запасных форм. Биосинтез липидов начинается с биосинтеза жирных кислот.
Биосинтез жирных кислот
Система синтеза жирных кислот находится в растворимой цитоплазматической фракции многих органов и тканей, таких какпечень, почки, молочная железа, жировая ткань.
Биосинтез жирных кислот протекает с участием:
1. НАДФН∙Н + ;
5. ацетил-КоА в качестве субстрата и пальмитиновая кислота в качестве конечного продукта.
Особенности биосинтеза жирных кислот
Синтез жирных кислот не является простым обращением реакций β-окисления. Наиболее важными особенностями являются следующие:
1. Синтез жирных кислот протекает в цитоплазме, в отличие от распада который протекает в митохондриях.
2. Промежуточные продукты синтеза жирных кислот ковалентно связаны с сульфгидрильными группами ацилпереносящего белка (АПБ).
3. Многие ферменты синтеза жирных кислот у высших организмов и человека организованы в мультиферментный комплекс, называемый синтетазой жирных кислот.
4. Непосредственно ацетил-КоА используется только как затравка.
5. Растущая цепь жирной кислоты удлиняется путем непосредственного присоединения двухуглеродных компонентов, происходящих из ацетил-КоА. Активированным донором двухуглеродных компонентов на стадии элонгации служит малонил-КоА. Реакция элонгации запускается высвобождением СО 2 .
6. Роль восстановителя при синтезе жирной кислоты выполняет НАДФН·Н + .
7. Синтез жирной кислоты является циклическим процессом протекающим на поверхности синтетазы жирных кислот.
8. Элонгация под действием комплекса синтетазы жирных кислот останавливается на этапе образования пальмитата (С 16). Дальнейшая элонгация и введение двойных связей осуществляется другими ферментными системами.
Этапы биосинтеза жирных кислот
I этап - транспорт ацетил-КоА из митохондрий в цитоплазму
Жирные кислоты синтезируются в цитоплазме, а ацетил-КоА образуется из пирувата в митохондриях. Мембрана митохондрий не проницаема для ацетил-КоА, поэтому транспорт ацетил-КоА через мембрану обеспечивается специальными механизмами. Роль карнитина в транспорте ацетил-КоА не велика, так как он переносит только длинноцепочечные жирные кислоты. Данная проблема решается путем синтеза цитрата.
Митохондрия Цитоплазма
Ацетил-КоА + оксалоацетат ацетил-КоА + оксалоацетат + АДФ + Ф н
НО - С - СООН цитрат + АТФ + HSKoA
СН 2 - СООН
Рис. 20. Схема транспорта ацетил-КоА через мембрану митохондрий
Цитрат образуется в митохондриальном матриксе путем конденсации ацетил-КоА и оксалоацетата. Затем диффундирует в цитоплазму, где расщепляется цитратлиазой. Таким образом, ацетил-КоА и оксалоацетат переносятся из митохондрий в цитоплазму с использованием одной молекулы АТФ.
Источники НАДФН·Н + для биосинтеза жирных кислот
Оксалоацетат, образовавшийся в результате переноса ацетил-КоА в цитоплазму должен быть возвращен обратно в митохондрию. Данный процесс сопряжен с генерацией НАДФН·Н + . Реакция происходит в цитоплазме и протекает в 2 этапа:
1. Оксалоацетат + НАДН·Н + Малат + НАД +
МДГ (декарбоксилирующая)
2. Малат + НАДФ + Пируват + СО 2 + НАДФН·Н +
Образовавшийся пируват легко диффундирует в митохондрии, где он карбоксилируется в оксалоацетат под действием пируваткарбоксилазы (с затратой энергии АТФ).
Пируват + НСО 3 - + АТФ Оксалоацетат + АДФ + Ф н
Нормальное окисление жиров в организме тесно связано с циклом Кребса. Основной путь образования оксалоацетата - карбоксилирование ПВК. Для сгорания 1,5 г жирных кислот, требуется 1 г углеводов. Отсюда, среди биохимиков есть поговорка, что «жиры сгорают в пламени углеводов».
Оксалоацетат, который синтезировался в данной реакции, затем взаимодействует с ацетил-КоА с образованием цитрата, который окисляется в ЦТК.
Таким образом, на каждую молекулу ацетил-КоА, которая переходит из митохондрий в цитоплазму, образуется одна молекула НАДФН·Н + . Следовательно, при переходе 8 молекул ацетил-КоА необходимых для синтеза пальмитиновой кислоты, образуется 8 молекул НАДФН·Н + . Еще 6 молекул требуемых для этого процесса генерируются в пентозофосфатном пути.
II этап - образование малонил-КоА.
Является первой реакцией биосинтеза жирных кислот. Катализируется ферментом ацетил-КоА-карбоксилазой. Коферментом является биотин. Реакция заключается в карбоксилилировании ацетил-КоА, источником СО2 является бикарбонат.
C = O + HCO 3 - + АТФ Е– биотин CН 2 + АДФ+H 3 PO 4
ацетил - KоA малонил - KоA
Рис. 21. Карбоксилирование ацетил-КоА (коферментом ацетил-КоА-карбоксилазы является биотин)
Малонил-КоА, по сути, является активированным ацетил-КоА. Энергия запасается заранее в виде карбоксильной группы и освобождается при декарбоксилировании непосредственно при биосинтезе жирных кислот. В дальнейшем биосинтезе жирных кислот ацетил-КоА используется как затравка, а непосредственно синтез идет из малонил-КоА.
III этап - биосинтез жирных кислот.
протекает в печени, почках, скелетных и сердечной мышцах, в жировой ткани. В мозговой ткани скорость окисления жирных кислот весьма незначительна; основным источником энергии в мозговой ткани служит глюкоза.
окисление молекулы жирной кислоты в тканях организма происходит в β-положении. В результате от молекулы жирной кислоты последовательно отщепляются двууглеродные фрагменты со стороны карбоксильной группы.
Жирные кислоты, входящие в состав естественных жиров животных и растений, имеют четное число углеродных атомов. Любая такая кислота, от которой отщепляется по паре углеродных атомов, в конце концов проходит через стадию масляной кислоты. После очередного β-окисления масляная кислота становится ацетоуксусной. Последняя затем гидролизуется до двух молекул уксусной кислоты.
Доставка жирных кислот к месту их окисления – к митохондриям – происходит сложным путем: при участии альбумина осуществляется транспорт жирной кислоты в клетку; при участии специальных белков (fatty acid binding proteins, FABP) – транспорт в пределах цитозоля; при участии карнитина – транспорт жирной кислоты из цитозоля в митохондрии.
Процесс окисления жирных кислот складывается из следующих основных этапов.
Активация жирных кислот . Свободная жирная кислота независимо от длины углеводородной цепи является метаболически инертной и не может подвергаться никаким биохимическим превращениям, в том числе окислению, пока не будет активирована. Активация жирной кислоты протекает на наружной поверхности мембраны митохондрий при участии АТФ, коэнзима A (HS-KoA) и ионов Mg 2+ . Реакция катализируется ферментом ацил-КоА-синтетазой:
В результате реакции образуется ацил-КоА, являющийся активной формой жирной кислоты.
Считают, что активация жирной кислоты протекает в 2 этапа. Сначала жирная кислота реагирует с АТФ с образованием ациладенилата, представляющим собой эфир жирной кислоты и АМФ. Далее сульфгидрильная группа КоА действует на прочно связанный с ферментом ациладенилат с образованием ацил-КоА и АМФ.
Транспорт жирных кислот внутрь митохондрий . Коэнзимная форма жирной кислоты, в равной мере как и свободные жирные кислоты, не обладает способностью проникать внутрь митохондрий, где, собственно, и протекает их окисление. Переносчиком активированных жирных кислот с длинной цепью через внутреннюю митохондриальную мембрану служит карнитин. Ацильная группа переносится с атома серы КоА на гидроксильную группу карнитина с образованием ацилкарнитина, который диффундирует через внутреннюю митохондриальную мембрану:
Реакция протекает при участии специфического цитоплазматического фермента карнитин-ацилтрансферазы. Уже на той стороне мембраны, которая обращена к матриксу, ацильная группа переносится обратно на КоА, что термодинамически выгодно, поскольку О-ацильная связь в кар-нитине обладает высоким потенциалом переноса группы. Иными словами, после прохождения ацилкарнитина через мембрану митохондрий происходит обратная реакция – расщепление ацилкарнитина при участии HS-KoA и митохондриальной карнитин-ацилтрансферазы:
Внутримитохондриальное окислениежирных кислот . Процесс окисления жирной кислоты в митохондриях клетки включает несколько последовательных энзиматических реакций.
Первая стадия дегидрирования. Ацил-КоА в митохондриях прежде всего подвергается ферментативному дегидрированию, при этом ацил-КоА теряет 2 атома водорода в α- и β-положениях, превращаясь в КоА-эфир ненасыщенной кислоты. Таким образом, первой реакцией в каждом цикле распада ацил-КоА является его окисление ацил-КоА-де-гидрогеназой, приводящее к образованию еноил-КоА с двойной связью между С-2 и С-3:
Существует несколько ФАД-содержащих ацил-КоА-дегидрогеназ, каждая из которых обладает специфичностью по отношению к ацил-КоА с определенной длиной углеродной цепи.
Стадия гидратации . Ненасыщенный ацил-КоА (еноил-КоА) при участии фермента еноил-КоА-гидратазы присоединяет молекулу воды. В результате образуется β-оксиацил-КоА (или 3-гидроксиацил-КоА):
Заметим, что гидратация еноил-КоА стереоспецифична, подобно гидратации фумарата и аконитата (см. с. 348). В результате гидратации транс-Δ 2 -двойной связи образуется только L-изомер 3-гидроксиацил-КоА.
Вторая стадия дегидрирования . Образовавшийся β-оксиацил-КоА (3-гидроксиацил-КоА) затем дегидрируется. Эту реакцию катализируют НАД + -зависимые дегидрогеназы:
Тиолазная реакция . В ходе предыдущих реакций происходило окисление метиленовой группы при С-3 в оксогруппу. Тиолазная реакция представляет собой расщепление 3-оксоацил-КоА с помощью тиоловой группы второй молекулы КоА. В результате образуется укороченный на два углеродных атома ацил-КоА и двууглеродный фрагмент в виде ацетил-КоА. Данная реакция катализируется ацетил-КоА-ацилтрансферазой (β-ке-тотиолазой):
Образовавшийся ацетил-КоА подвергается окислению в цикле трикар-боновых кислот, а ацил-КоА, укоротившийся на два углеродных атома, снова многократно проходит весь путь β-окисления вплоть до образования бутирил-КоА (4-углеродное соединение), который в свою очередь окисляется до 2 молекул ацетил-КоА
За один цикл β-окисления образуется 1 молекула ацетил-СоА, окисление которого в цитратном цикле обеспечивает синтез 12 моль ATP . Кроме того, образуется 1 моль FADH 2 и 1 моль NADH+H , при окислении которых в дыхательной цепи синтезируется соответственно 2 и 3 моль ATP (в сумме 5).
Таким образом, при окислении, например, пальмитиновой кислоты (С16) происходит 7 циклов β-окисления, в результате которых образуется 8 моль ацетил-СоА, 7 моль FADH 2 и 7 моль NADH+H. Следовательно, выход ATP составляет 35 молекул в результате β-окисления и 96 ATP в результате цитратного цикла, что соответствует в сумме 131 молекул АТФ.
Кнооп в 1904 г. выдвинул гипотезу β-окисления жирных кислот на основании опытов по скармливанию кроликам различных жирных кислот, в которых один атом водорода в концевой метальной группе (у ω-углеродного атома) был замещен фенильным радикалом (С 6 Н 5 -).
Кнооп высказал предположение, что окисление молекулы жирной кислоты в тканях организма происходит в β-положении; в результате происходит последовательное отсечение от молекулы жирной кислоты двууглеродных фрагментов со стороны карбоксильной группы.
Жирные кислоты, входящие в состав естественных жиров животных и растений, принадлежат к ряду с четным числом углеродных атомов. Любая такая кислота, отщепляя по паре углеродных атомов, в конце концов проходит через стадию масляной кислоты, которая после очередного β-окисления должна дать ацетоуксусную кислоту. Последняя затем гидролизуется до двух молекул уксусной кислоты.
Теория β-окисления жирных кислот, предложенная Кноопом, не потеряла своего значения и до настоящего времени и является в значительной мере основой современных представлений о механизме окисления жирных кислот.
Современные представления об окислении жирных кислот
Установлено, что окисление жирных кислот в клетках происходит в митохондриях при участии мультиферментного комплекса. Известно также, что жирные кислоты первоначально активируются при участии АТФ и HS-KoA; субстратами на всех последующих стадиях ферментативного окисления жирных кислот служат КоА-эфиры этих кислот; выяснена также роль карнитина в транспорте жирных кислот из цитоплазмы в митохондрии.
Процесс окисления жирных кислот складывается из следующих основных этапов.
Активация жирных кислот и их проникновение из цитоплазмы в митохондрии . Образование "активной формы" жирной кислоты (ацил-КоА) из коэнзима А и жирной кислоты является эндергоническим порцессом протекающим за счет использования энергии АТФ:
Реакция катализируется ацил-КоА-синтетазой. Существует несколько таких ферментов: один из них катализирует активацию жирных кислот, содержащих от 2 до 3 углеродных атомов, другой- от 4 до 12 атомов, третий - от 12 и более атомов углерода.
Как уже отмечалось, окисление жирных кислот (ацил-КоА) происходит в митохондриях. В последние годы было показано, что способность ацил-КоА проникать из цитоплазмы в митохондрии резко возрастает в присутствии азотистого основания - карнитина (γ-триметиламино-β-гидроксибутирата). Ацил-КоА, соединяясь с карнитином, при участии специфического цитоплазматического фермента (карнитин-ацил-КоА-трансферазы) образует ацилкарнитин (эфир карнитина и жирной кислоты), который обладает способностью проникать внутрь митохондрии:
После прохождения ацилкарнитина через мембрану митохондрии происходит обратная реакция - расщепление ацилкарнитина при участии HS-KoA и митохондриальной карнитин-ацил-КоА-трансферазы:
При этом карнитин возвращается в цитоплазму клетки, а ацил-КоА подвергается в митохондриях окислению.
Первая стадия дегидрирования. Ацил-КоА в митохондриях прежде всего подвергается ферментативному дегидрированию;
при этом ацил-КоА теряет два атома водорода в α- и β-положении, превращаясь в КоА-эфир ненасыщенной кислоты:
По-видимому, существует несколько ФАД-содержащих ацил-КоА-дегидрогеназ, каждая из которых обладает специфичностью по отношению к ацил-КоА с определенной длиной углеродной цепи.
Стадия гидратации. Ненасыщенный ацил-КоА (еноил-КоА) при участии фермента еноил-КоА-гидратазы присоединяет молекулу воды. В результате образуется β-гидроксиацил-КоА:
Вторая стадия дегидрирования. Образовавшийся β-гидроксиацил-КоА затем дегидрируется. Эту реакцию катализируют НАД-зависимые дегидрогеназы. Реакция протекает по следующему уравнению:
В этой реакции β-кетоацил-КоА взаимодействует с коэнзимом А. В результате происходит расщепление β-кетоацил-КоА и образуется укороченный на два углеродных атома ацил-КоА и двууглеродный фрагмент в виде ацетил-КоА. Данная реакция катализируется ацетил-КоА-ацилтрансфе-разой (или тиолазой):
Образовавшийся ацетил-КоА подвергается окислению в цикле трикарбоновых кислот (цикле Кребса), а ацил-КоА, укоротившийся на два углеродных атома, снова многократно проходит весь путь β-окисления вплоть до образования бутирил-КоА (4-углеродное соединение), который в свою очередь окисляется до двух молекул ацетил-КоА (см. схему).
Например, в случае пальмитиновой кислоты (С 16) повторяются 7 циклов окисления. Запомним, что при окислении жирной кислоты, содержащей n углеродных атомов, происходит n/2 - 1 циклов β-окисления (т. е. на один цикл меньше, чем n/2 , так как при окислении бутирил-КоА сразу происходит образование двух молекул ацетил-КоА) и всего получится n/2 молекул ацетил-КоА.
Следовательно, суммарное уравнение р-окисления пальмитиновой кислоты можно написать так:
Пальмитоил-КоА + 7 ФАД + 7 НАД + 7Н 2 O + 7HS-KoA --> 8 Ацетил - КоА + 7 ФАДН 2 + 7 НАДН 2 .
Баланс энергии. При каждом цикле β-окисления образуются 1 молекула ФАДН 2 и 1 молекула НАДН 2 . Последние в процессе окисления в дыхательной цепи и сопряженного с ним фосфорилирования дают: ФАДН 2 - две молекулы АТФ и НАДН 2 - три молекулы АТФ, т. е. в сумме за один цикл образуется 5 молекул АТФ. В случае окисления пальмитиновой кислоты проходит 7 циклов β-окисления (16/2 - 1 = 7), что ведет к образованию 5X7 = 35 молекул АТФ. В процессе β-окисления пальмитиновой кислоты образуется - молекул ацетил-КоА, каждая из которых, сгорая в цикле трикарбоновых кислот, дает 12 молекул АТФ, а 8 молекул дадут 12X8 = 96 молекул АТФ.
Таким образом, всего при полном окислении пальмитиновой кислоты образуется 35+96=131 молекула АТФ. Однако с учетом одной молекулы АТФ, потраченной в самом начале на образование активной формы пальмитиновой кислоты (пальмитоил-КоА), общий энергетический выход при полном окислении одной молекулы пальмитиновой кислоты в условиях животного организма составит 131-1 = 130 молекул АТФ (заметим, что при полном окислении одной молекулы глюкозы образуется лишь 36 молекул АТФ).
Подсчитано, что если изменение свободной энергии системы (ΔG) при полном сгорании одной молекулы пальмитиновой кислоты составляет 9797 кДж, а богатая энергией концевая фосфатная связь АТФ характеризуется величиной около 34,5 кДж, то выходит, что примерно 45% всей потенциальной энергии пальмитиновой кислоты при ее окислении в организме может быть использовано для ресинтеза АТФ, а оставшаяся часть, по-видимому, теряется в виде тепла.
Окисление жирных кислот протекает в печени, почках, скелетных и сердечных мышцах, в жировой ткани.
Ф.Кнооп высказал предположение, что окисление молекулы жирной кислоты в тканях организма происходит в b-окислении. В результате от молекулы жирной кислоты отщепляются двууглеродные фрагменты со стороны карбоксильной группы. Процесс b-окисления жирных кислот складывается из следующих этапов:
Активация жирных кислот. Подобно первой стадии гликолиза сахаров перед b-окислением жирные кислоты подвергаются активации. Эта реакция протекает на наружной поверхности мембраны митохондрий при участии АТФ, коэнзима А (НS-КоА) и ионов Mg 2+ . Реакция катализируется ацил-КоА-синтетазой:
В результате реакции образуется ацил-КоА, являющийся активной формой жирной кислоты.
Транспорт жирных кислот внутрь митохондрий. Коэнзимная форма жирной кислоты, в равной мере как и свободные жирные кислоты, не обладает способностью проникать внутрь митохондрий, где, собственно, и протекает их окисление, переносчиком активированных жирных кислот через внутреннюю митохондриальную мембрану служит карнитин (g-триметиламино-b-оксибути-рат):
После прохождения ацилкарнитина через мембрану митохондрий происходит обратная реакция – расщепления ацилкарнитина при участии НS-КоА и митохондриальной карнитин-ацилтрансферазы:
Ацил-КоА в митохондрии подвергается процессу b-окисления.
Этот путь окисления связан с присоединением атома кислорода к углеродному атому жирной кислоты, находящемуся в b-положении:
При b-окислении происходит последовательное отщепление от карбоксильного конца углеродной цепи жирной кислоты двууглеродных фрагментов в форме ацетила-КоА и соответствующее укорачивание цепи жирной кислоты:
В матриксе митохондрии ацил-КоА распадается в результате повторяющейся последовательности четырех реакций (рис.8).
1) окисление с участием ацил-КоА-дегидрогеназы (ФАД-зависимой дегидрогеназы);
2) гидратация, катализируемой еноил-КоА-гидратазой;
3) второго окисления под действием 3-гидроксиацетил-КоА-дегидрогеназы (НАД-зависимой дегидрогеназы);
4) тиолиза с участием ацетил-КоА-ацилтрансферазы.
Совокупность этих четырех последовательностей реакций составляет один оборот b-окисления жирной кислоты (см. рис. 8).
Образовавшийся ацетил-КоА подвергается окислению в цикле Кребса, а ацетил-КоА, укоротившийся на два углеродных атома, снова многократно проходит весь путь b-окисления вплоть до образования бутирил-КоА (4-углеродное соединение), на последнем этапе b-окисления распадается на две молекулы ацетил-КоА.
При окислении жирной кислоты, содержащей n углеродных атомов, происходит n/2-1 цикл b-окисления (т.е. на один цикл меньше, чем n/2, так как при окислении бутирил-КоА сразу происходит образование двух молекул ацетил-КоА) и всего получится n/2 молекул ацетил-КоА.
Например при окислении пальмитиновой кислоты (С 16) повторяется 16/2-1=7 циклов b-окисления и образуется 16/2=8 молекул ацетил-КоА.
Рисунок 8 – Схема b-окисления жирной кислоты
Баланс энергии. При каждом цикле b-окисления образуется одна молекула ФАДН 2 (см. рис. 8; реакция 1) и одна молекула НАДН+Н + (реакция 3). Последняя в процессе окисления дыхательной цепи и сопряженного с ним фосфорилирования дают: ФАДН 2 – 2 молекулы АТФ и НАДН+Н + – 3 молекулы АТФ, т.е. в сумме за один цикл образуется 5 молекул АТФ. При окислении пальмитиновой кислоты образуется 5*7=35 молекул АТФ. В процессе b-окисления пальмитиновой кислоты образуется 8 молекул ацетил-КоА, каждая из которых, «сгорая» в цикле Кребса, дает 12 молекул АТФ, а 8 молекул дадут 12*8=96 молекул АТФ.
Таким образом, всего при полном b-окислении пальмитиновой кислоты образуется 35+96=131 молекула АТФ. С учетом одной молекулы АТФ, потраченной в самом начале на стадии активации жирной кислоты, общий энергетический выход при полном окислении одной молекулы пальмитиновой кислоты составит 131-1=130 молекул АТФ.
Однако, образовавшийся в результате b-окисления жирных кислот ацетил-КоА, может не только окисляться до СО 2 , Н 2 О, АТФ, вступая в цикл Кребса, но использоваться на синтез холестерина, а также углеводов в глиоксилатном цикле.
Глиоксилатный путь специфичен только для растений и бактерий, у животных организмов он отсутствует. Данный процесс синтеза углеводов из жиров подробно описан в методическом указании «Взаимосвязь процессов обмена углеводов, жиров и белков» (см. п. 2.1.1, с. 26).