B окисление жирных кислот. Биохимия. Бета-окисление у растений

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.

Жирные кислоты, проникающие из крови в клетку, сначала подвергаютсяреакции активации под действием фермента ацил-КоА-синтетазы:

RCOOH+HSKoA+ATP ® R-CO-SKoA+AMP+PP i

B-окисление жирных кислот - это специфический путь распада жирных кислот, заканчивающие образованием ацетил-КоА. b-окисление жирных кислот имеет такое название потому, что реакции окисления в радикале жирных кислот происходит по b--углеродному атому.b-окисление жирных кислот и последующее за ним окисление ацетил-КоА в ЦТК служатисточником энергии для синтеза АТР.

Процесс b- окисления происходит в матриксе митохондрий и только ваэробных условиях, так как связан с ЦПЭ. |

Внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для ацил-КоА, поэтому существует система переноса жирных кислот через мембрану в комплексе с молекулой карнитина (рис.9)

Во внешней мембране митохондрий находится фермент карнитинацилтрансфераза I, который катализирует перенос ацила с КоА на небольшую молекулу карнитина. Затем ацилкарнитин с помощью транслоказы переносится через внутреннюю мемб­рану митохондрий, где фермент карнитинацил-трансфераза II переносит ацил на внутримитохондрильный HSKoA.

После того как ацил-КоА попадает в матрикс митохондрий, начинается процесс b- окисления, представляющий собой 4 последовательные реак­ции, которые заканчиваются укорочением жирной кислоты на 2 углеродных атома, так как отщепляется ацетильный остаток (рис.10).

Эти 4 последовательные реакции повторяются до тех пор, пока вся жирная кислота, имеющая четное число атомов углерода, не превратится в определенное количество молекул ацетил-КоА. Эти 4 реакции b- окисления (дегидрирование, гидратация, дегидрирование, от­щепление ацетил-КоА) обычно называют циклом b- -окисления, так как имеется в виду, что одни и те к реакции повторяются с радикалом жирной кис­лоты до тех пор, пока вся кислота не превратится в ацетильные остатки.

Количество молекул АТР, ко­торые образуются при окислении жирной кислоты, можно точно рассчитать. Для этого необходимо знать, что в каждом цикле:

а) образуется ацетил-КоА, который в ЦТК окис­ляется до СО 2 и воды.

Рисунок 9

Число молекул ацетил-КоА, образующихся в ре­зультате окисления жирной кислоты с числом п ато­мовС, можно рассчитать по формуле: п / 2,(п / 2) х 12 = количество молекул АТР,

б) при b- -окислении происходят 2 реакции дегид­рирования, в которых восстанавливаются 1 молеку­ла убихинона и 1 молекула NAD + , поэтому каждый цикл дает 5 молекул АТР с участием ЦПЭ;

г) суммарный выход АТР при окислении жирной кислоты с числом п атомов С можно рассчитать по формуле:

[ {(п / 2) х 12} + {(п / 2) – 1)} х 5] – 1* = число молей АТФ/ моль жирной кислоты.

*1 молекула АТР используется на активацию жирной кис­лоты.

Например, при окислении пальмитиновой кислоты (С16) происходит 7 циклов b- окисления, в результате которых образуется 8 моль ацетил-СоА, 7 моль FADH 2 и 7 моль NADH+Н+. Следовательно, выход АТР составляет 35 АТР в результате b- окисления и 96 АТР в результате цитратного цикла, что соответствует в сумме 131 моль АТР.

Регуляция b-окисления. Скорость b-окисления, так же как и других метаболических путей, зависит от доступности субстрата ацил-КоА, поэтому b- окисление жирных кислот активируется в постабсорбтивный период или при длительной физической рабо­те, когда в результате распада жиров в жировой ткани в крови увеличивается концентрация жирных кис­лот. В этих условиях мышцы, миокард и печень ак­тивно используют жирные кислоты как источник энергии. Мозг не использует жирные кислоты как источник энергии, так как они не проникают через гематоэнцефалический барьер, являясь гидрфобными молекулами.

Регуляторный фермент b-окисления - карнитинацилтрансфераза I . Аллостеричный ингибитор этого фермента - малонил-КоА образуется только при биосинтезе жирных кислот, следовательно, в постабсорбтивный период, когда поступление ацетильных остатков из митохондрий в цитозоль прекращается, синтез малонил-Ko тоже прекращается иb-окисление в отсутствие ингибитора активируется.

Как важнейший путь, поставляющий АТФ, b- окисление активируется при увеличении в клетке потребности в энергии. Это возможно благодаря непосредственной связи реакций b- окисления через коферментыNAD и FAD с цепью переноса электронов. Чем интенсивнее идет распад АТФ, тем быстрее окисляются жирные кислоты, обеспечивая синтез новых молекул АТФ.

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).

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.

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.

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):

Вторая стадия дегидрирования. Образовавшийся β-оксиацил-КоА (3-гидроксиацил-КоА) затем дегидрируется. Эту реакциюкатализируют НАД + -зависимые дегидрогеназы:

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.

Баланс энергии. При каждом цикле β-окисления образуются одна молекула ФАДН 2 и одна молекула НАДН. Последние в процессеокисления в дыхательной цепи и сопряженного с ним фосфорилирования дают: ФАДН 2 – 2 молекулы АТФ и НАДН – 3 молекулы АТФ, т.е. в сумме за один цикл образуется 5 молекул АТФ. При окислении пальмитиновой кислоты образуется 5 х 7 = 35 молекул АТФ. В процессе β-окисления пальмитиновой кислоты образуется 8 молекул ацетил-КоА, каждая из которых, «сгорая» в цикле трикарбоновых кислот, дает 12 молекул АТФ, а 8 молекул ацетил-КоА дадут 12 х 8 = 96 молекул АТФ.

Таким образом, всего при полном β-окислении пальмитиновой кислоты образуется 35 + 96 = 131 молекула АТФ. С учетом одноймолекулы 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.

Как уже указывалось, значительную часть энергии, извлекаемой в процессе окисления, животный организм получает из жирных кислот, которые расщепляются путем окисления при β-углеродном атоме.

β-Окисление жирных кислот было впервые изучено в 19004 г. Ф. Кноопом. В дальнейшем было установлено, что β-окисление осуществляется только в митохондриях. Благодаря работам Ф. Линена с сотрудниками (1954-1958 г.г.) были выяснены основные ферментативные процессы окисления жирных кислот. В честь ученых, открывших данный путь окисления жирных кислот, процесс β-окисления получил название цикла Кноопа-Линена .

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 (цикле трикарбоновых кислот) служат одним из основных источников энергии для синтеза АТФ по механизму окислительного фосфорилирования. β-Окисление жирных кислот происходит только в аэробных условиях.

Все реакции многостадий­ного окисления ускоряются специфическими ферментами. β-окисление высших жирных кислот является универсальным биохи­мическим процессом, протекающим во всех живых организмах. У млекопитающих этот процесс происходит во многих тканях, в первую очередь в печени, почках и сердце. Окисление жирных кислот происходит в митохондриях. Ненасыщенные высшие жирные кислоты (олеиновая, линолевая, линоленовая и др.) предварительно восстанавливаются до предельных кислот.

Проникновению жирных кислот в митохондриальный матрикс предшествует их активация путем образования соединения с коэнзимом А (НS~КоА), содержащего макроэргическую связь. Последняя, видимо, способствует более гладкому протека­нию реакций окисления образовавшегося соединения, которое называют ацилкоэнзимом А (ацил-КоА).

Взаимодействие высших жирных кислот с КоА ускоряется специфическими лигазами - ацил-КоА-синтетазами трех видов, специфичных соответственно для кислот с коротким, средним и длин­ным углеводородными радикалами. Они локализованы в мембранах эндоплазматической сети и в наружной мембране митохондрий. По-видимому, все ацил-КоА-синтетазы являются мультимерами; так, фермент из микросом пе­чени имеет молекулярную массу 168 кДа и состоит из 6 идентичных субъеди­ниц. Реакция активации жирных кислот протекает в 2 этапа:

а) сначала жирная кислота реагирует с АТФ с образаванием ациладенилата:

RCOOH + ATФ → RCO~AMФ + ФФ

б) затем идет образование активированной формы ацил-КоА:

RCO~AMФ + НS~КоА → RCO~SKoA + AMФ

Пирофосфат (ФФ) быстро гидролизуется под действием пирофосфатазы, в результате чего вся реакция оказывается необратимой: ФФ + H 2 O → 2Ф

Суммарное уравнение :

RCOOH + ATФ+ НS~КоА→ RCO~SKoA + AMФ + 2Ф

Жирные кислоты с короткой и средней длиной цепи (от 4 до 12 атомов углерода) могут прони­кать в матрикс митохондрий путём диффузии, там происходит их активация. 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.

Внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для длинноцепочных ацил-КоА, образовавшихся в цитоплазме. Переносчиком активированных жирных кислот служит карнитин (витамин В т) , который поступает с пи­щей или синтезируется из незаменимых амино­кислот лизина и метионина.

В наружной мембране митохондрий находится фермент карнитинацилтрансфераза I (карнитин-палъмитоилтрансфераза I), катализи- рующий ре­акцию с образованием ацилкарнитина:

RCO~SKoA + H 3 C- N + -CH 2 -CH-CH 2 -COOH ↔ H 3 C- N + -CH 2 -CH-CH 2 -COOH + HS~KoA

Ацил-КоА Карнитин (В т) Ацилкарнитин Кофермент А

Этот фермент является регуляторным, он регулирует скорость поступления ацильных групп в митохондрии, а, следовательно, и скорость окисления жирных кислот.

Образовавшийся ацилкарнитин проходит че­рез межмембранное пространство к наружной стороне внутренней мембраны и транспортиру­ется с помощью карнитинацилкарнитинтранслоказы на внутреннюю поверхность внутренней мембраны митохондрий, где фермент карнити­нацилтрансфераза II катализирует перенос ацила на внутримитохондриальный КоА, то есть обратную реакцию (рис.9).

Рис.9. Перенос жирных кислот с длинным углеводородным радикалом через мембраны митохондрий

Итак, ацил-КоА становится доступным для ферментов β-окисления. Свободный карни­тин возвращается на цитозольную сторону внутренней мембраны митохондрий той же транслоказой. После этого ацил-КоА включается в реак­ции β-окисления.

В матриксе митохондрий происходит катаболизм (распад) ацил-КоА в результате повторяющейся последовательности из четырех реакций .

1) Первой реакцией в каждом цикле является его окисление ферментом ацил-КоА-дегидрогеназой , коферментом которого является ФАД. Дегидрирование происходит между β - и α - атомами углерода, в результате чего в углеродной цепи образуется двойная связь и продуктом этой реакции является еноил-КоА:

R-CH 2 -CH 2 CO~SKoA + ФАД → R-CH=CHCO~SKoA + ФАДН 2

Ацил-КоА Еноил-КоА

2) На втором этапе цикла окисления жирных кислот происходит гидратация двойной связи еноил-КоА, в результате чего образуется β-гидроксиацил-КоА. Реакция катализируется ферментом еноил-КоА-гидратазой :

R-CH=CHCO~SKoA +Н 2 О → R-CH-CH 2 CO~SKoA

Еноил-КоА β- гидроксиацил-КоА

3) На третьем этапе цикла β-гидроксиацил-КоА подвергается дегидрированию (второму окислению) при участии фермента β-гидроксиацил-КоА-дегидрогеназы , коферментом которой является НАД + . Продуктом данной реакции является β-кетоацил-КоА:

R-CH-CH 2 CO~SKoA + НАД + → R-CОCH 2 CO~SKoA + НАДН + Н +

β- гидроксиацил-КоА β- кетоацил-КоА

4) Последняя реакция цикла окисления жирных кислот катализируется ацетил-КоА-ацилтрансферазой (тиолазой) . На этом этапе β-кетоацил-КоА взаимодействует со свободным КоА и расщепляется с образованием, во-первых, двухуглеродного фрагмента, содержащего два концевых углеродных атома исходной жирной кислоты в виде ацетил-КоА, и, во-вторых, КоА-эфира жирной кислоты, укороченной теперь на два атома углерода. По аналогии с гидролизом эту реакцию называют тиолизом :

R-CОCH 2 CO~SKoA + НS~KoA → CH 3 CO~SKoA + R 1 CO~SKoA

β- кетоацил-КоА Ацетил-КоА Ацил-КоА ,

укороченный на

2 углеродных атома

Укороченный ацил-КоА подвергается далее следующему циклу окисления, начинающемуся с реакции, катализируемой ацил-КоА-дегидрогеназой (окисление), затем следует реакция гидратации, реакция второго окисления, тиолазная реакция, то есть этот процесс многократно повторяется (рис.10).

β- Окисление высших жирных кислот протекает в митохондриях. В них же ло­кализованы ферменты дыхательного цикла, ведущие передачу атомов водорода и электронов на кислород в условиях окислительного фосфорилирования АДФ, поэтому β-окисление высших жирных кислот является источником энергии для синтеза АТФ.

Рис.10. Окисление жирной кислоты

Окончательным про­дуктом β-окисления высших жирных кислот с четным числом углеродных атомов является ацетил-КоА , а с нечетным - пропионил-КоА .

Если бы ацетил-КоА накапливался в организме, то запасы HS~KoA скоро исчер­пались бы, и окисление высших жирных кислот остановилось. Но этого не происхо­дит, так как КоА быстро освобождается из состава ацетил-КоА. К этому приводит ряд процессов: ацетил-КоА включается в цикл трикарбоновых и дикарбоновых кислот или весьма близкий к нему глиоксилевый цикл, или ацетил-КоА используется для синтеза стеролов и соединений, содержащих изопреноидные группировки и т.п.

Пропионил-КоА, являющийся конечным продуктом β-окисления высших жирных кислот с нечетным числом углеродных атомов, превращается в сукцинил-КоА, который утилизируется через цикл трикарбоновых и дикарбоновых кислот.

Около половины жирных кислот в организ­ме человека ненасыщенные .

β-Окисление этих кислот идёт обычным путём до тех пор, пока двойная связь не окажется между третьим и чет­вёртым атомами углерода. Затем фер­мент еноил-КоА-изомераза перемещает двой­ную связь из положения 3-4 в положение 2-3 и изменяет цис-конформацию двойной связи на транс-, которая требуется для β-окисления. В этом цикле β-окисления первая реакция де­гидрирования не происходит, так как двойная связь в радикале жирной кислоты уже имеется. Далее циклы β-окисления продолжаются, не от­личаясь от обычного пути. Основные пу­ти метаболизма жирных кислот демонстрирует ри.11.

Рис.11.Основные пу­ти метаболизма жирных кислот

Не­давно было обнаружено, что помимо β-окисления – основного пути катаболизма жирных кислот, в тканях мозга происходит α-окисление жирных кис­лот с числом атомов углерода (С 13 -С 18), то есть последовательное отщепление одноуглеродных фрагментов от карбоксиль­ного конца молекулы.

Этот тип окисления наиболее характерен для растительных тканей, но может происходить и в некоторых тканях животных. α-Окисление имеет циклический характер, причем цикл состоит из двух реакций.

Первая реакция заключается в окислении жирной кислоты пероксидом водорода в соответствующий альдегид и СО 2 с участием специфической пероксидазы :

В результате этой реакции углеводородная цепь укорачивается на один атом углерода.

Суть второй реакции заключается в гидратации и окслении образовавшегося альдегида в соответствующую карбоновую кислоту под действием альдегиддегидрогеназы , содержащей окисленную форму кофермента НАД:

Затем цикл α-окисления повторяется снова. В сравнении с β-окислением этот тип окисления энергетически менее выгоден.

ω-Окисление жирных кислот. В печени животных и у некоторых микроорганизмов существует ферментная система, обеспечивающая ω-окисление жирных кислот, то есть окисление по концевой СН 3 -группе, обозначаемой буквой ω. Сначала под действием монооксигеназы происходят гидроксилирование с образованием ω-оксикислоты:

Затем ω-оксикислота окисляется в ω-дикарбоновую кислоту под действием соответствующей дегидрогеназы :

Полученная таким образом ω-дикарбоновая кислота укорачивается с любого конца с помощью реакций β-окисления.