Бета окисление жирных кислот биохимия. Окисление жирных кислот. Транспортировка в митохондрии

Углеводы составляют основную часть пищевого рациона человека и обеспечивают значительную часть энергетических потребностей организ­ма. При сбалансированном питании суточное количество углеводов в среднем в 4 раза превышает количество белков и жиров.

Роль углеводов в питании:

1. Углеводы выполняют энергетическую функцию. При окислении 1 г углеводов освобождается 4.1 ккал энергии. Глюкоза, до которой рас­щепляется основная часть углеводов, является основным энергетиче­ским субстратом в организме.

2. Мышечная деятельность сопровождается значительным потреблением глюкозы. При физической работе углеводы расходуются в первую очередь, и только при истощении их запасов (гликоген) в обмен включаются жиры.

3. Углеводы необходимы для нормальной функции центральной нервной системы, клетки которой весьма чувствительны к недостатку глюкозы в крови.

4. Углеводы выполняют структурную функцию. Простые углеводы слу­жат источником образования гликопротеидов, которые составляют ос­нову соединительной ткани.

5. Углеводы принимают участие в обмене белков и жиров. Из углеводов могут образовываться жиры.

6. Углеводы растительного происхождения (целлюлоза, пектиновые ве­щества) стимулируют моторику кишечника, способствуют выведению накаливающихся в нем токсических продуктов.

Источниками углеводов служат преимущественно растительные продукты, особенно мучные изделия, крупы, сладости. В большинстве продуктов углеводы представлены в виде крахмала и в меньшей степени в виде дисахаридов (молоко, сахарная свекла, фрукты и ягоды). Для лучше­го усвоения углеводов необходимо, чтобы большая их часть поступала в организм в виде крахмала.

Крахмал постепенно расщепляется в желудочно-кишечном тракте до глюкозы, которая поступает в кровь небольшими порциями, что улучшает ее утилизацию и поддерживает постоянный уровень сахара в крови. При введении сразу больших количеств Сахаров концентрация глюкозы в кро­ви резко возрастает, и она начинается выделяться с мочой. Наиболее благоприятными считаются такие условия, когда 64% углеводов потреб­ляются в виде крахмала, а 36% - в виде Сахаров.

Норма потребления углеводов зависит от интенсивности труда. При физической работе углеводы требуются в большем количестве. В среднем на 1 кг массы тела требуется 4-6-8 г углеводов в сутки, т.е. примерно в 4 раза больше, чем белков и жиров.

Избыточное потребление углеводов может приводить к тучности и излишней перегрузке ЖКТ, т.к. растительная пища, богатая углеводами, обычно более объемистая, вызывает чувство тяжести, ухудшает общую усвояемость продуктов питания.

Недостаток углеводов в пище также нежелателен из-за опасности развития гипогликемических состояний. Углеводная недостаточность, как правило, сопровождается общей слабостью, сонливостью, снижением памяти, умственной и физической работоспособности, головной болью, снижением усвояемости белков, витаминов, ацидозом и др. В связи с этим количество углеводов в суточном рационе не должно быть меньше 300 г

К группе углеводов тесно примыкают встречающиеся в большинстве растительных продуктов плохо усвояемые организмом человека вещества - пектиновые вещества (неусвояемые углеводы) и клетчатка.

Пектиновые вещества - это растительные желирующие вещества, обладающие высокой сорбционной (поглощающей) способностью. Они благоприятно действуют при лечении заболеваний органов пищеварения, ожогов и язв, а также обладают способностью обезвреживать некоторые ядовитые вещества (особенно активно выводят из организма соли тяжёлых металлов, например соединения свинца).

Много пектиновых веществ в апельсинах, яблоках, чёрной смородине и других фруктах и ягодах.

Клетчатка (другие названия - грубые растительные, или неперевариемые, или пищевые, или диетические, волокна) - это полисахарид, входящий в состав массивных оболочек клеток растительной пищи. Имеет волокнистую, довольно грубую структуру.

Обычные источники пищевых волокон - отруби, хлеб, крупы (особенно гречневая и овсяная). Большие их количества содержатся во многих овощах, фруктах, листьях и стеблях растений; особенно много - в оболочках зерен и в кожуре плодов. При консервировании овощей и плодов пищевые волокна полностью сохраняются (кроме соков без мякоти).

Не обладая высокой калорийностью, большинство овощей и фруктов, тем не менее, благодаря высокому содержанию неусвояемых углеводов, способствуют быстрому и довольно стойкому чувству насыщения: поскольку пищевые волокна обладают способностью впитывать много жидкости, они набухают в желудке, заполняют часть его объема - и в результате насыщение происходит быстрее. Сами же волокна не несут в организм ни единой калории.

Ценность волокон и в том, что, являясь довольно объёмистой составляющей ежедневного питания, человеческим организмом они не перевариваются. Наличие большого количества клетчатки несколько снижает общую усвояемость пищи. Однако и полное ее отсутствие вредно отзывается на работе желудочно-кишечного тракта.

Клетчатка вызывает правильную перистальтику (движение стенок) кишечника и тем самым способствует передвижению пищи по пищеварительному каналу и выведению из организма неусвоенных пищевых веществ.

Необходимое количество клетчатки в пище обеспечивается правильным сочетанием животных и растительных продуктов в суточном рационе.

После расщепления клетчатка, как и другие полисахариды, превращается в сахара. Однако в пищеварительном тракте человека отсутствуют ферменты, которые могли бы осуществить подобное расщепление. Только незначительная часть ее может подвергнугься перевариванию под влиянием находящихся в кишечнике микроорганизмов, основная же масса без изменений удаляется из организма. Благодаря этой внешней бесполезности клетчатка и пектины получили название балластных веществ.

Балластные вещества выполняют важную функцию и в процессе пищеварения: волокна ферментируются кишечными бактериями и буквально помогают перетирать пищу; раздражая нервные окончания кишечных стенок, они усиливают перистальтику. Если пища бедна балластными веществами, нарушается двигательная активность кишечника, поэтому, чтобы избежать этих нарушении рекомендуется использовать грубую пищу, богатую клетчаткой.

Помимо этого пищевые волокна обладают способностью стимулировать обмен веществ, поскольку волокна препятствуют всасыванию токсинов, поступающих с пищей или образующихся в процессе её переработки, и служат своего рода метелкой: продвигаясь по пищеварительному тракту, они прихватывают с собой все, что налипло на стенки, и выводят из организма.

Ещё одно достоинство пищевых волокон - они имеют свойство снижать уровень эндогенного холестерина (это такой холестерин, который не попадает к нам с пищей, а вырабатывается самим организмом в печени из желчных кислот, поступающих в печень из кишечника).

Гемицеллюлоза: как и клетчатка, или целлюлоза, входит в состав клеточных оболочек зерновых продуктов, и небольших количествах содержится в мякоти фруктов и овощей. Она способна удерживать воду и связывать металлы.

Окисление жирных кислот (бета окисление). Роль HS – Ko в этом процессе. Энергия полного окисления стеориновой кислоты до CO 2 c H 2 O . Рассчитать количество образуемых при окислении молекул АТФ.

Активация ЖК происходит в цитоплазме, а бета-окисление - в митохондриях.

Ацил-КоА не может проходить через мембрану митохондрий. Поэтому имеется специальный механизм транспорта ЖК из цитоплазмы в митохондрию при участии вещества "карнитин". Во внутренней мембране митохондрий есть специальный транспортный белок, обеспечивающий перенос. Благодаря этому ацилкарнитин легко проникает через мембрану митохондрий.

По строению цитоплазматическая и митохондриальная карнитинацилтрасферазы различны, отличаются они друг от друга и кинетическими характеристиками. Vmax цитоплазматической ацилкарнитинтрансферазы ниже, чем Vmax митохондриального фермента, а также ниже Vmax ферментов -окисления. Поэтому цитоплазматическая ацилкарнитинтрансфераза является ключевым ферментом распада жирных кислот.

Если жирная кислота попадает в митохондрию, то она обязательно подвергнется катаболизму до ацетил-КоА.

Наиболее компактным «топливом», удовлетворяющим энергетические потребности организма, являются жирные кислоты, что определяется особенностями их химической структуры. В расчете на 1 моль полное окисление жирных кислот высвобождает в несколько раз больше пригодной для использования химической энергии, чем окисление углеводов; например, при окислении 1 моль пальмитиновой кислоты образуется 130 моль АТФ, тогда как при окислении 1 моль глюкозы образуется 38 моль АТФ. В расчете на единицу веса выход энергии различается также более чем в два раза (9 ккал на 1 г жиров против 4 ккал на 1 г углеводов или белков). В основе этого высокого выхода энергии лежит та же причина, которая делает бензин, нефть и другие нефтяные продукты таким эффективным топливом для выработки тепловой и механической энергии, а именно высокая степень восстановленности углерода в длинных алкильных цепях. Основная часть молекулы жирной кислоты состоит из повторяющихся звеньев (СН2)n, т. е. структуры, максимально обогащенной водородом. Как мы видели из предыдущего изложения, энергия, запасаемая в ходе биологических окислительных процессов, образуется в основном в связи с контролируемым переносом электронов от атомов водорода дыхательной цепи, сопряженным с фосфорилирова-нием АДФ до АТФ. Поскольку жирные кислоты построены в основном из углерода и водорода и, таким образом, содержат в своем составе значительно меньше атомов кислорода, чем углеводы, окисление жирных кислот сопровождается поглощением пропорционально большего количества кислорода и, следовательно, образованием большего количества АТФ при окислительном фосфорилировании.

Установлено, что окисление жирных кислот наиболее интенсивно протекает в печени, почках, скелетных и сердечных мышцах, в жировой ткани. В мозговой ткани скорость окисления жирных кислот весьма незначительна, т.к. основным источником энергии в мозговой ткани служит глюкоза.

β-Окисление - специфический путь катаболизма жирных кислот, при котором от карбоксильного конца жирной кислоты последовательно отделяется по 2 атома углерода в виде ацетил-КоА. Метаболический путь - β-окисление - назван так потому, что реакции окисления жирной кислоты происходят у β-углеродного атома. Реакции β-окисления и последующего окисления ацетил-КоА в ЦТК служат одним из основных источников энергии для синтеза АТФ по механизму окислительного фосфорилирования. β-Окисление жирных кислот происходит только в аэробных условиях.

Активация жирных кислот

Перед тем, как вступить в различные реакции, жирные кислоты должны быть активированы, т.е. связаны макроэргической связью с коферментом А:

RCOOH + HSKoA + АТФ → RCO ~ КоА + АМФ + PPi.

Реакцию катализирует фермент ацил-КоА син-тетаза. Выделившийся в ходе реакции пирофосфат гидролизуется ферментом пирофосфатазой: Н 4 Р 2 О 7 + Н 2 О → 2 Н 3 РО 4 .

Выделение энергии при гидролизе макроэргической связи пирофосфата смещает равновесие реакции вправо и обеспечивает полноту протекания реакции активации.

Ацил-КоА синтетазы находятся как в цитозоле, так и в матриксе митохондрий. Эти ферменты отличаются по специфичности к жирным кислотам с различной длиной углеводородной цепи. Жирные кислоты с короткой и средней длиной цепи (от 4 до 12 атомов углерода) могут проникать в матрикс митохондрий путём диффузии. Активация этих жирных кислот происходит в матриксе митохондрий. Жирные кислоты с длинной цепью, которые преобладают в организме человека (от 12 до 20 атомов углерода), активируются ацил-КоА синтетазами, расположенными на внешней мембране митохондрий.

Распад активированных жирных кислот происходит в соответствии с гипотезой b - окисления Ф. Кноопа, предложеннойой в 1904 г. b - окисление протекает внутри митохондрий

β-Окисление жирных кислот - специфический путь катаболизма жирных кислот, протекающий в матриксе митохондрий только в аэробных условиях и заканчивающийся образованием ацетил-КоА. Водород из реакций β-окисления поступает в ЦПЭ, а ацетил-КоА окисляется в цитратном цикле, также поставляющем водород для ЦПЭ. Поэтому β-окисление жирных кислот - важнейший метаболический путь, обеспечивающий синтез АТФ в дыхательной цепи.

β-Окисление начинается с дегидрирования ацил-КоА FAD-зависимой ацил-КоА дегидрогеназой с образованием двойной связи между α- и β-атомами углерода в продукте реакции - еноил-КоА. Восстановленный в этой реакции кофермент FADH 2 передаёт атомы водорода в ЦПЭ на кофермент Q. В результате синтезируются 2 молекулы АТФ (рис. 8-27). В следующей реакции р-окисления по месту двойной связи присоединяется молекула воды таким образом, что ОН-группа находится у β-углеродного атома ацила, образуя β-гидроксиацил-КоА. Затем β-гидроксиацил-КоА окисляется NАD + -зависимой дегидрогеназой. Восстановленный NADH, окисляясь в ЦПЭ, обеспечивает энергией синтез 3 молекул АТФ. Образовавшийся β-кетоацил-КоА подвергается тиолитическому расщеплению ферментом тиолазой, так как по месту разрыва связи С-С через атом серы присоединяется молекула кофермента А. В результате этой последовательности из 4 реакций от ацил-КоА отделяется двухуглеродный остаток - ацетил-КоА. Жирная кислота, укороченная на 2 атома углерода, опять проходит реакции дегидрирования, гидратации, дегидрирования, отщепления ацетил-КоА. Эту последовательность реакций обычно называют "циклом β-окисления", имея в виду, что одни и те же реакции повторяются с радикалом жирной кислоты до тех пор, пока вся кислота не превратится в ацетильные остатки.

β-Окисление жирных кислот.

Процесс b-окисления является циклическим. За каждый оборот цикла от жирной кислоты отщепляется 2 углеродных атома в виде ацетильного остатка.

После этого укороченный на 2 углеродных атома ацил-КоА снова подвергается окислению (вступает в новый цикл реакций b-окисления). Образующийся Ацетил-КоА может дальше вступить в цикл трикарбоновых кислот.Нужно уметь рассчитывать энергетический выход при распаде жирных кислот. Представленная формула верна для любой насыщенной жирной кислоты, содержащей n углеродных атомов.При распаде ненасыщенных жирных кислот образуется меньше АТФ. Каждая двойная связь в жирной кислоте - это потеря 2-х молекул АТФ. b-окисление наиболее интенсивно протекает в мышечной ткани, почках, печени. В результате b-окисления ЖК образуется Ацетил-КоА. Скорость окисления определяется скоростью процессов липолиза. Ускорение липолиза характерно для состояния углеводного голодания и интенсивной мышечной работы. Ускорение b-окисления наблюдается во многих тканях, в том числе и в печени. В печени образуется больше Ацетил-КоА, чем ей требуется. Печень - "орган-альтруист" и поэтому печень отправляет глюкозу в другие ткани.

Печень стремится направить в другие ткани и свой собственный Ацетил-КоА, но не может, так как для Ацетил-КоА клеточные мембраны непроницаемы. Поэтому в печени из Ацетил-КоА синтезируются специальные вещества, которые называются "кетоновые тела". Кетоновые тела - это особая транспортная форма ацетил-КоА.

Молекула жирной кислоты расщепляется в митохондрии путем постепенного отщепления двууглеродных фрагментов в виде ацетилкоэнзима А (ацетил-КоА).

С17Н35СООН + 26 О2 = 18 СО2 + 18 Н2О.

при окислении стеариновой кислоты клетка получит 146 молекул АТФ.

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.

И дыхательной цепью , для преобразования энергии, заключенной в жирных кислотах, в энергию связей АТФ.

Окисление жирных кислот (β-окисление)

Элементарная схема β-окисления.

Этот путь называется β-окислением, так как происходит окисление 3-го углеродного атома жирной кислоты (β-положение) в карбоксильную группу, одновременно от кислоты отщепляется ацетильная группа, включающая С 1 и С 2 исходной жирной кислоты.

Реакции β-окисления происходят в митохондриях большинства клеток организма (кроме нервных клеток). Для окисления используются жирные кислоты, поступающие в цитозоль из крови или появляющиеся при липолизе собственных внутриклеточных ТАГ . Суммарное уравнение окисления пальмитиновой кислоты выглядит следующим образом:

Пальмитоил-SКоА + 7ФАД + 7НАД + + 7Н 2 O + 7HS-KoA → 8Ацетил-SКоА + 7ФАДН 2 + 7НАДН

Этапы окисления жирных кислот

Реакция активации жирной кислоты.

1. Прежде, чем проникнуть в матрикс митохондрий и окислиться, жирная кислота должна активироваться в цитозоле. Это осуществляется присоединением к ней коэнзима А с образованием ацил-S-КоА. Ацил-S-КоА является высокоэнергетическим соединением. Необратимость реакции достигается гидролизом дифосфата на две молекулы фосфорной кислоты.

Карнитин-зависимый транспорт жирных кислот в митохондрию.

2. Ацил-S-КоА не способен проходить через митохондриальную мембрану, поэтому существует способ его переноса в комплексе с витаминоподобным веществом карнитином. На наружной мембране митохондрий имеется фермент карнитин-ацилтрансфераза I.

Карнитин синтезируется в печени и почках и затем транспортируется в остальные органы. Во внутриутробном периоде и в первые годы жизни значение карнитина для организма чрезвычайно велико. Энергообеспечение нервной системы детского организма и, в частности, головного мозга осуществляется за счет двух параллельных процессов: карнитин-зависимого окисления жирных кислот и аэробного окисления глюкозы . Карнитин необходим для роста головного и спинного мозга, для взаимодействия всех отделов нервной системы, ответственных за движение и взаимодействие мышц. Существуют исследования, связывающие с недостатком карнитина детский церебральный паралич и феномен «смерти в колыбели».

3. После связывания с карнитином жирная кислота переносится через мембрану транслоказой. Здесь на внутренней стороне мембраны фермент карнитин-ацилтрансфераза II вновь образует ацил-S-КоА который вступает на путь β-окисления.

Последовательность реакций β-окисления жирных кислот.

4. Процесс собственно β-окисления состоит из 4-х реакций, повторяющихся циклически. В них последовательно происходит окисление (ацил-SКоА-дегидрогеназа), гидратирование (еноил-SКоА-гидратаза) и вновь окисление 3-го атома углерода (гидроксиацил-SКоА-дегидрогеназа). В последней, трансферазной, реакции от жирной кислоты отщепляется ацетил-SКоА. К оставшейся (укороченной на два углерода) жирной кислоте присоединяется HS-КоА, и она возвращается к первой реакции. Все повторяется до тех пор, пока в последнем цикле не образуются два ацетил-SКоА.

Расчет энергетического баланса β-окисления

При расчете количества АТФ, образуемого при β-окислении жирных кислот необходимо учитывать:

• количество образуемого ацетил-SКоА - определяется обычным делением числа атомов углерода в жирной кислоте на 2;
• число циклов β-окисления. Число циклов β-окисления легко определить исходя из представления о жирной кислоте как о цепочке двухуглеродных звеньев. Число разрывов между звеньями соответствует числу циклов β-окисления. Эту же величину можно подсчитать по формуле (n/2 −1), где n - число атомов углерода в кислоте;
• число двойных связей в жирной кислоте. В первой реакции β-окисления происходит образование двойной связи при участии ФАД. Если двойная связь в жирной кислоте уже имеется, то необходимость в этой реакции отпадает и ФАДН 2 не образуется. Количество необразованных ФАДН 2 соответствует числу двойных связей. Остальные реакции цикла идут без изменений;
• количество энергии АТФ, потраченной на активацию (всегда соответствует двум макроэргическим связям).

Пример. Окисление пальмитиновой кислоты

• так как имеется 16 атомов углерода, то при β-окислении образуется 8 молекул ацетил-SКоА. Последний поступает в ЦТК, при его окислении в одном обороте цикла образуется 3 молекулы НАДН, 1 молекула ФАДН 2 и 1 молекула ГТФ, что эквивалентно 12 молекулам АТФ (см также Способы получения энергии в клетке). Итак, 8 молекул ацетил-S-КоА обеспечат образование 8×12=96 молекул АТФ.
• для пальмитиновой кислоты число циклов β-окисления равно 7. В каждом цикле образуется 1 молекула ФАДН 2 и 1 молекула НАДН. Поступая в дыхательную цепь, в сумме они «дадут» 5 молекул АТФ. Таким образом, в 7 циклах образуется 7×5=35 молекул АТФ.
• двойных связей в пальмитиновой кислоте нет.
• на активацию жирной кислоты идет 1 молекула АТФ, которая, однако, гидролизуется до АМФ, то есть тратятся 2 макроэргические связи или две АТФ.

Таким образом, суммируя, получаем 96+35-2 =129 молекул АТФ образуется при окислении пальмитиновой кислоты.

Жировая ткань, состоящая из адипозоцитов, выполняет специфическую роль в липидном обмене. Около 65% массы жировой ткани приходится на долю отложенных в ней триацилглицеролов (ТАГ) - они представляют собой форму запасания энергии и выполняют в обмене жиров такую же функцию, как гликоген печени в обмене углеводов. Отложенные жиры в жировой ткани служит источником эндогенной воды и энергетическим резервом для организма человека. ТАГ используется в организме после предварительного расщепления (липолиза), в ходе которого освобождаются глицерин и свободные жирные кислоты.

В клетках жировой ткани при участии липаз происходит распад ТАГ. Липаза находится в неактивной форме, она активируется гормонами (адреналином, норадреналином, глюкагоном, тироксином, глюкокортикоидами, СТГ, АКТГ) в ответ на стресс, голодание, охлаждение продуктами реакции являются моноацилглицерин и ВЖК.

ВЖК с помощью альбуминов переносятся кровью к клеткам тканей, органов, где происходит их окисление.

Окисление высших жирных кислот.

Источники ВЖК:

Липиды жировой ткани

Липопротеины

Триацилглицерины

Фосфолипиды клеточных биомембран

Окисление ВЖК происходят в митохондриях клеток, и называется бетта окислением. Доставка их к тканям и органам происходит при участии альбумина, а транспорт из цитоплазмы в митохондрии при участии карнитина.

Процесс бета-окисления ВЖК складывается из следующих этапов:

Активация ВЖК на наружной поверхности мембраны митохондрий при участии АТФ, конзима А и ионов магния с образованием активной формы ВЖК (ацил - КоА).

Транспорт жирных кислот внутрь митохондрий возможен при присоединении активной формы жирной кислоты к карантину, находящемуся на наружной поверхности внутренней мембраны митохондрий. Образуется ацил-карнитин, обладающий способностью проходить через мембрану. На внутренней поверхности комплекс распадается и карнитин возвращается на наружную поверхность мембраны.

Внутримитохондриальное окисление жирных кислот состоит из последовательных ферментативных реакций. В результате одного завершенного цикла окисления происходит отщепление от жирой кислоты одной молекулы ацетил-КоА, т.е. укорочение жирнокислотной цепи на два углеродных атома.Приэтом в результате двух дегидрогеназных реакций восстанавливается ФАД до ФАДН 2 и НАД + до НАДН 2 .

рис. Окисление высших жирных кислот

Т.о. завершая 1 цикл бега - окисления ВЖК, в результате которого ВЖК укоротилось на 2 углеродных звена. При бета -окислении выделилось 5АТФ и 12АТФ выделилось при окислении АЦЕТИЛ-КОА в ЦТК и сопряженных с ним ферментов дыхательной цепи. Окисление ВЖК будет происходить циклически одинаково, но только до последней стадии - стадии превращения масляной кислоты (БУТИРИЛ-КОА), которая имеет свои особенности, которые необходимо учитывать при подсчёте суммарного энергетического эффекта окисления ВЖК, когда в результате одного цикла образуется 2 молекулы АЦЕТИЛ-КОА, одна из них проходила бета -окисление с выделением 5АТФ, а другая нет.

рис. Последняя стадия окисления высших жирных кислот

ОКИСЛЕНИЕ ВЖК, ИМЕЮЩИХ НЕЧЕТНОЕ КОЛИЧЕСТВО УГЛЕРОДНЫХ ЗВЕНЬЕВ В ЦЕПИ

Такие ВЖК поступают в организм человека в составе пищи с мясом жвачных животных, растений, морских организмов. Окисление таких ВЖК происходит также как и ВЖК, имеющих чётное количество углеродных звеньев в цепи, но только до последней стадии - стадии превращения ПРОПИОНИЛ-КОА. которая имеет свои особенности.

Т.о. образуется СУКЦИНИЛ-КОА, который в дальнейшем окисляется в МИТОХОНДРИЯХ с участием ферментов ЦТК КРЕБСА и сопряженных с ним ферментов дыхательной цепи.

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:

1. 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).
2. Гидратация - присоединение молекулы воды к еноил-CoA, в результате чего образуется L-β-гидроксиацил-CoA. Осуществляется еноил-CoA-гидратазой.
3. Дегидрирование - окисление продукта предыдущей реакции НАД-зависимой дегидрогеназой с образованием β-кетоацил-коэнзима А. При этом происходит восстановление НАД до НАДН.
4. 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.