L'ossidazione degli acidi grassi avviene nel fegato, nei reni, nei muscoli scheletrici e cardiaci e nel tessuto adiposo.

F. Knoop ha suggerito che l'ossidazione di una molecola di acido grasso nei tessuti del corpo avviene nella b-ossidazione. Di conseguenza, i frammenti a due atomi di carbonio del gruppo carbossilico vengono separati dalla molecola di acido grasso. Il processo di b-ossidazione degli acidi grassi consiste nelle seguenti fasi:

Attivazione degli acidi grassi. Similmente al primo stadio della glicolisi degli zuccheri, gli acidi grassi subiscono l'attivazione prima della b-ossidazione. Questa reazione avviene sulla superficie esterna della membrana mitocondriale con la partecipazione di ATP, coenzima A (HS-CoA) e ioni Mg 2+. La reazione è catalizzata dall'acil-CoA sintetasi:

Come risultato della reazione si forma acil-CoA, che è la forma attiva dell'acido grasso.

Trasporto degli acidi grassi nei mitocondri. La forma coenzimatica dell'acido grasso, così come gli acidi grassi liberi, non ha la capacità di penetrare nei mitocondri, dove, infatti, avviene la loro ossidazione, la carnitina (g-trimetilammino-b-idrossibutirrato) funge da trasportatore; acidi grassi attivati ​​attraverso la membrana mitocondriale interna):

Dopo che l'acilcarnitina passa attraverso la membrana mitocondriale, si verifica una reazione inversa: la scissione dell'acilcarnitina con la partecipazione di HS-CoA e della carnitina aciltransferasi mitocondriale:

L'acil-CoA nei mitocondri subisce il processo di b-ossidazione.

Questo percorso di ossidazione prevede l'aggiunta di un atomo di ossigeno all'atomo di carbonio dell'acido grasso situato nella posizione b:

Durante la b-ossidazione, si verifica un'eliminazione sequenziale di frammenti a due atomi di carbonio sotto forma di acetil-CoA dall'estremità carbossilica della catena di carbonio di un acido grasso e un corrispondente accorciamento della catena dell'acido grasso:

Nella matrice mitocondriale, l'acil-CoA si decompone come risultato di una sequenza ripetuta di quattro reazioni (Fig. 8).

1) ossidazione con la partecipazione dell'acil-CoA deidrogenasi (deidrogenasi FAD-dipendente);

2) idratazione catalizzata dall'enoil-CoA idratasi;

3) seconda ossidazione sotto l'azione della 3-idrossiacetil-CoA deidrogenasi (deidrogenasi NAD-dipendente);

4) tiolisi con la partecipazione dell'acetil-CoA aciltransferasi.

La totalità di queste quattro sequenze di reazioni costituisce un turnover della b-ossidazione degli acidi grassi (vedere Fig. 8).

L'acetil-CoA risultante subisce l'ossidazione nel ciclo di Krebs e l'acetil-CoA, accorciato di due atomi di carbonio, percorre nuovamente ripetutamente l'intero percorso di b-ossidazione fino alla formazione di butirril-CoA (composto a 4 atomi di carbonio), all'ultimo stadio di b-ossidazione si decompone in due molecole di acetil-CoA.

Quando un acido grasso contenente n atomi di carbonio viene ossidato, si verificano n/2-1 cicli di b-ossidazione (cioè un ciclo in meno di n/2, poiché l'ossidazione del butirril-CoA produce immediatamente due molecole di acetil-CoA) e si otterranno in totale n/2 molecole di acetil-CoA.

Ad esempio, durante l'ossidazione dell'acido palmitico (C 16), si ripetono 16/2-1 = 7 cicli di b-ossidazione e si formano 16/2 = 8 molecole di acetil-CoA.

Figura 8 – Schema di b-ossidazione degli acidi grassi

Bilancio energetico. Ad ogni ciclo di b-ossidazione si forma una molecola di FADH 2 (vedi Fig. 8; reazione 1) e una molecola di NADH + H + (reazione 3). Quest'ultimo, nel processo di ossidazione della catena respiratoria e fosforilazione associata, dà: molecole di FADH 2 - 2 ATP e molecole di NADH + H + - 3 ATP, cioè in totale, in un ciclo si formano 5 molecole di ATP. L'ossidazione dell'acido palmitico produce 5*7=35 molecole di ATP. Nel processo di b-ossidazione dell'acido palmitico si formano 8 molecole di acetil-CoA, ciascuna delle quali, "bruciando" nel ciclo di Krebs, produce 12 molecole di ATP e 8 molecole produrranno 12 * 8 = 96 molecole di ATP.

Pertanto, in totale, con la completa b-ossidazione dell'acido palmitico, si formano 35 + 96 = 131 molecole di ATP. Prendendo in considerazione una molecola di ATP spesa inizialmente nella fase di attivazione dell'acido grasso, la resa energetica totale per la completa ossidazione di una molecola di acido palmitico sarà di 131-1 = 130 molecole di ATP.

Tuttavia, l'acetil-CoA, formato a seguito della b-ossidazione degli acidi grassi, non solo può essere ossidato in CO 2, H 2 O, ATP, entrando nel ciclo di Krebs, ma può anche essere utilizzato per la sintesi del colesterolo come carboidrati nel ciclo del gliossilato.

La via del gliossilato è specifica solo per piante e batteri; è assente negli organismi animali. Questo processo di sintesi dei carboidrati dai grassi è descritto in dettaglio nell'istruzione metodologica "Interrelazione dei processi metabolici di carboidrati, grassi e proteine" (vedere paragrafo 2.1.1, p. 26).

Knoop nel 1904 avanzò l'ipotesi della β-ossidazione degli acidi grassi sulla base di esperimenti condotti su conigli con vari acidi grassi in cui un atomo di idrogeno nel gruppo metilico terminale (nell'atomo di carbonio ω) era sostituito da un radicale fenile (C 6 H5-).

Knoop ha suggerito che l'ossidazione della molecola di acido grasso nei tessuti corporei avviene nella posizione β; Di conseguenza, si verifica un taglio sequenziale di frammenti a due atomi di carbonio dalla molecola di acido grasso sul lato del gruppo carbossilico.

Gli acidi grassi, che fanno parte dei grassi naturali di animali e piante, appartengono a una serie con un numero pari di atomi di carbonio. Qualsiasi acido di questo tipo, rimuovendo una coppia di atomi di carbonio, passa infine attraverso lo stadio di acido butirrico, che, dopo la successiva β-ossidazione, dovrebbe dare acido acetoacetico. Quest'ultimo viene poi idrolizzato in due molecole di acido acetico.

La teoria della β-ossidazione degli acidi grassi, proposta da Knoop, non ha perso la sua importanza fino ad oggi ed è in gran parte la base delle idee moderne sul meccanismo di ossidazione degli acidi grassi.

Idee moderne sull'ossidazione degli acidi grassi

È stato stabilito che l'ossidazione degli acidi grassi nelle cellule avviene nei mitocondri con la partecipazione di un complesso multienzimatico. È anche noto che gli acidi grassi vengono inizialmente attivati ​​con la partecipazione di ATP e HS-KoA; Gli esteri CoA di questi acidi fungono da substrati in tutte le fasi successive dell'ossidazione enzimatica degli acidi grassi; È stato chiarito anche il ruolo della carnitina nel trasporto degli acidi grassi dal citoplasma ai mitocondri.

Il processo di ossidazione degli acidi grassi consiste nelle seguenti fasi principali.

Attivazione degli acidi grassi e loro penetrazione dal citoplasma nei mitocondri. La formazione della “forma attiva” di un acido grasso (acil-CoA) a partire dal coenzima A e da un acido grasso è un processo endergonico che avviene attraverso l’utilizzo dell’energia ATP:

La reazione è catalizzata dall'acil-CoA sintetasi. Esistono diversi enzimi di questo tipo: uno catalizza l'attivazione di acidi grassi contenenti da 2 a 3 atomi di carbonio, un altro - da 4 a 12 atomi, il terzo - da 12 o più atomi di carbonio.

Come già notato, l'ossidazione degli acidi grassi (acil-CoA) avviene nei mitocondri. Negli ultimi anni è stato dimostrato che la capacità dell'acil-CoA di penetrare dal citoplasma nei mitocondri aumenta notevolmente in presenza di una base azotata, la carnitina (γ-trimetilammino-β-idrossibutirrato). L'acil-CoA, combinandosi con la carnitina, con la partecipazione di uno specifico enzima citoplasmatico (carnitina acil-CoA transferasi), forma l'acilcarnitina (un estere della carnitina e un acido grasso), che ha la capacità di penetrare nei mitocondri:

Dopo che l'acilcarnitina passa attraverso la membrana mitocondriale, si verifica una reazione inversa: la scissione dell'acilcarnitina con la partecipazione di HS-CoA e carnitina mitocondriale acil-CoA transferasi:

In questo caso, la carnitina ritorna nel citoplasma cellulare e l'acil-CoA subisce l'ossidazione nei mitocondri.

Primo stadio della deidrogenazione. L'acil-CoA nei mitocondri è principalmente soggetto a deidrogenazione enzimatica;

in questo caso l'acil-CoA perde due atomi di idrogeno nelle posizioni α e β, trasformandosi nell'estere CoA di un acido insaturo:

Sembra che esistano diverse acil-CoA deidrogenasi contenenti FAD, ciascuna delle quali ha specificità per l'acil-CoA di una specifica lunghezza della catena di carbonio.

Fase di idratazione. L'acil-CoA insaturo (enoil-CoA), con la partecipazione dell'enzima enoil-CoA idratasi, attacca una molecola d'acqua. Di conseguenza, si forma il β-idrossiacil-CoA:

Secondo stadio della deidrogenazione. Il β-idrossiacil-CoA risultante viene quindi deidrogenato. Questa reazione è catalizzata dalle deidrogenasi NAD-dipendenti. La reazione procede secondo la seguente equazione:

In questa reazione, il β-chetoacil-CoA interagisce con il coenzima A. Di conseguenza, il β-chetoacil-CoA viene scisso e si formano un acil-CoA accorciato di due atomi di carbonio e un frammento a due atomi di carbonio sotto forma di acetil-CoA . Questa reazione è catalizzata dall'acetil-CoA aciltransferasi (o tiolasi):

L'acetil-CoA risultante subisce l'ossidazione nel ciclo dell'acido tricarbossilico (ciclo di Krebs) e l'acil-CoA, accorciato di due atomi di carbonio, percorre nuovamente ripetutamente l'intero percorso di β-ossidazione fino alla formazione di butirril-CoA (composto a 4 atomi di carbonio ), che a sua volta viene ossidato a due molecole di acetil-CoA (vedi diagramma).

Ad esempio, nel caso dell'acido palmitico (C 16), si ripetono 7 cicli di ossidazione. Ricordiamo che durante l'ossidazione di un acido grasso contenente n atomi di carbonio si verificano n/2 - 1 cicli di β-ossidazione (ovvero un ciclo in meno di n/2, poiché l'ossidazione del butirril-CoA produce immediatamente due molecole di acetil -CoA) e si otterranno un totale di n/2 molecole di acetil-CoA.

Pertanto, l'equazione complessiva per la p-ossidazione dell'acido palmitico può essere scritta come segue:

Palmitoil-CoA + 7 FAD + 7 NAD + 7H 2 O + 7HS-KoA --> 8 Acetil-CoA + 7 FADH 2 + 7 NADH 2 .

Bilancio energetico. Ad ogni ciclo di β-ossidazione si formano 1 molecola di FADH 2 e 1 molecola di NADH 2. Questi ultimi, nel processo di ossidazione nella catena respiratoria e fosforilazione associata, danno: FADH 2 - due molecole di ATP e NADH 2 - tre molecole di ATP, cioè in totale, in un ciclo si formano 5 molecole di ATP. Nel caso dell'ossidazione dell'acido palmitico si verificano 7 cicli di β-ossidazione (16/2 - 1 = 7) che portano alla formazione di 5X7 = 35 molecole di ATP. Nel processo di β-ossidazione dell'acido palmitico si formano molecole di acetil-CoA, ciascuna delle quali, bruciando nel ciclo dell'acido tricarbossilico, produce 12 molecole di ATP e 8 molecole produrranno 12X8 = 96 molecole di ATP.

Pertanto, in totale, con la completa ossidazione dell'acido palmitico, si formano 35 + 96 = 131 molecole di ATP. Tuttavia, tenendo conto di una molecola di ATP spesa all'inizio per la formazione della forma attiva di acido palmitico (palmitoil-CoA), la resa energetica totale per la completa ossidazione di una molecola di acido palmitico in condizioni animali sarà 131-1 = 130 molecole di ATP (notare che con l'ossidazione completa di una molecola di glucosio si producono solo 36 molecole di ATP).

Si calcola che se la variazione di energia libera del sistema (ΔG) dopo la combustione completa di una molecola di acido palmitico è 9797 kJ e il legame fosfato terminale ricco di energia dell'ATP è caratterizzato da un valore di circa 34,5 kJ, allora risulta che circa il 45% dell'energia potenziale totale dell'acido palmitico durante la sua ossidazione nell'organismo può essere utilizzata per la risintesi dell'ATP, e la parte rimanente viene apparentemente persa sotto forma di calore.

Idrolisi trigliceridi effettuato dalla lipasi pancreatica. Il suo pH ottimale = 8, idrolizza i TG prevalentemente nelle posizioni 1 e 3, con formazione di 2 acidi grassi liberi e 2-monoacilglicerolo (2-MG). 2-MG è un buon emulsionante. Il 28% di 2-MG viene convertito in 1-MG dall'isomerasi. La maggior parte dell'1-MG viene idrolizzata dalla lipasi pancreatica in glicerolo e acido grasso. Nel pancreas, la lipasi pancreatica viene sintetizzata insieme alla proteina colipasi. La colipasi si forma in forma inattiva e viene attivata nell'intestino dalla tripsina attraverso una proteolisi parziale. La colipasi, con il suo dominio idrofobico, si lega alla superficie della gocciolina lipidica e il suo dominio idrofilo aiuta ad avvicinare il centro attivo della lipasi pancreatica il più vicino possibile ai TG, accelerandone l'idrolisi.

L'ossidazione avviene nella matrice mitocondriale. Innanzitutto viene attivato l'acido grasso: 1 .Nel citoplasma ogni acido viene attivato utilizzando l'energia CoA-8H e ATP. 2. L'acido grasso attivo, acil-CoA, viene trasportato dal citosol nella matrice mitocondriale (MC). Il CoA-8H rimane nel citosol e il residuo di acido grasso - acile - si combina con la carnitina (dal latino - carnitina - carne - la carnitina è isolata dal tessuto muscolare) per formare acil-carnitina, che entra nello spazio intermembrana dei mitocondri. Dallo spazio intermembrana dei mitocondri, il complesso acil-carnitina viene trasferito nella matrice mitocondriale. In questo caso la carnitina rimane nello spazio intermembrana. Nella matrice, l'acile si combina con CoA-8H. 3. Ossidazione. Nella matrice MC si forma un acido grasso attivo, che successivamente subisce reazioni di ossidazione nei prodotti finali. Nella beta ossidazione, il gruppo -CH2- nella posizione beta dell'acido grasso viene ossidato nel gruppo C-. In questo caso, la deidrogenazione avviene in due fasi: con la partecipazione dell'acil deidrogenasi (enzima flavina, l'idrogeno viene trasferito all'ubichinone) e della beta-idrossiacil deidrogenasi (accettore di idrogeno NAD+). Quindi il beta-chetoacil-CoA, sotto l'azione dell'enzima tiolasi, si scompone in acetil CoA e acil-CoA, accorciati di 2 atomi di carbonio rispetto all'originale. Questo acil-CoA subisce nuovamente beta-ossidazione. La ripetizione ripetuta di questo processo porta alla completa degradazione dell'acido grasso in acil-CoA. Ossidazione degli acidi grassi. Comprende 2 fasi: 1. scissione sequenziale di un frammento a due atomi di carbonio sotto forma di acetil-CoA dal C-terminale dell'acido; 2. ossidazione dell'acetil-CoA nel ciclo di Krebs a CO2 e H2O. Valore energetico dell'ossidazione degli acidi grassi. L'acido stearico (C 18) subisce 8 cicli di ossidazione con la formazione di 9 acetil-CoA. In ogni ciclo di ossidazione si formano 8 * 5 ATP = 40 ATP, l'acetil-CoA produce 9 * 12 ATP = 108 ATP. Totale: 148 ATP, ma 1 ATP viene speso per l'attivazione degli acidi grassi nel citosol, quindi il totale è 147 ATP

β - ossidazione degli acidi grassi superiori (HFA). Efficienza energetica del processo (per acidi grassi saturi e insaturi). L'influenza dell'ossidazione tissutale degli IVFA sull'utilizzo del glucosio da parte dei tessuti.

β-ossidazione - una via specifica di catabolismo degli acidi grassi con catene idrocarburiche medie e corte non ramificate. Nella matrice mitocondriale avviene la β-ossidazione, durante la quale 2 atomi di carbonio vengono separati in sequenza dall'estremità C dell'FA sotto forma di acetil-CoA. La β-ossidazione degli FA avviene solo in condizioni aerobiche ed è una fonte di grandi quantità di energia. La β-ossidazione degli FA avviene attivamente nei muscoli scheletrici rossi, nel muscolo cardiaco, nei reni e nel fegato. Gli acidi grassi non servono come fonte di energia per i tessuti nervosi, poiché gli acidi grassi essenziali non attraversano la barriera emato-encefalica, come altre sostanze idrofobiche, la β-ossidazione degli acidi grassi aumenta nel periodo post-assorbimento, durante il digiuno e il lavoro fisico. Allo stesso tempo, la concentrazione di acidi grassi nel sangue aumenta a causa della mobilitazione degli acidi grassi dal tessuto adiposo.

Attivazione LCD

L'attivazione di FA avviene come risultato della formazione di un legame ad alta energia tra FA e HSCoA con la formazione di Acil-CoA. La reazione è catalizzata dall'enzima Acil-CoA sintetasi:

RCOOH + HSKoA + ATP → RCO~SCoA + AMP+ PPn

Il pirofosfato viene idrolizzato dall'enzima pirofosfatasi: H 4 P 2 O 7 + H 2 O → 2H 3 PO 4

Le acil-CoA sintetasi si trovano sia nel citosol (sulla membrana esterna dei mitocondri) che nella matrice mitocondriale. Questi enzimi differiscono nella loro specificità per gli acidi grassi con diverse lunghezze di catena di idrocarburi.

LCD da trasporto. Il trasporto degli AF nella matrice mitocondriale dipende dalla lunghezza della catena del carbonio.

Gli FA con catene di lunghezza corta e media (da 4 a 12 atomi di carbonio) possono penetrare nella matrice mitocondriale per diffusione. L'attivazione di questi FA avviene mediante acil-CoA sintetasi nella matrice mitocondriale. Gli FA a catena lunga vengono prima attivati ​​nel citosol (da acil-CoA sintetasi sulla membrana mitocondriale esterna) e quindi trasferiti alla matrice mitocondriale mediante uno speciale sistema di trasporto. utilizzando la carnitina. Carnitina proviene dal cibo o è sintetizzato da lisina e metionina con la partecipazione della vitamina C.

Nella membrana esterna dei mitocondri, l'enzima carnitina aciltransferasi I (carnitina palmitoiltransferasi I) catalizza il trasferimento di acile dal CoA alla carnitina per formare acilcarnitina;

L'acilcarnitina passa attraverso lo spazio intermembrana verso il lato esterno della membrana interna e viene trasportata dalla carnitina acilcarnitina translocasi alla superficie interna della membrana mitocondriale interna;

L'enzima carnitina aciltransferasi II catalizza il trasferimento di acile dalla carnitina all'HSCoA intramitocondriale per formare Acil-CoA;

La carnitina libera viene restituita al lato citosolico della membrana mitocondriale interna dalla stessa translocasi.

Reazioni β-ossidazione degli FA

1.​ La β-ossidazione inizia con la deidrogenazione dell'acil-CoA da parte dell'acil-CoA deidrogenasi FAD-dipendente, formando un doppio legame (trans) tra gli atomi α- e β-C di Enoil-CoA. La RICA ridotta 2, ossidandosi in CPE, assicura la sintesi di 2 molecole di ATP;

2.​ L'enoil-CoA idratasi aggiunge acqua al doppio legame di Enoil-CoA per formare β-idrossiacil-CoA;

3.​ Il β-idrossiacil-CoA viene ossidato dalla deidrogenasi NAD-dipendente in β-chetoacil-CoA. Il NADH 2 ridotto, ossidandosi in CPE, assicura la sintesi di 3 molecole di ATP;

4. La tiolasi con la partecipazione di HCoA scinde l'acetil-CoA dal β-chetoacil-CoA. Come risultato di 4 reazioni, si forma Acil-CoA, che è più corto del precedente Acil-CoA di 2 atomi di carbonio. L'acetil-CoA formato, ossidato nel ciclo TCA, assicura la sintesi di 12 molecole di ATP nel CPE.

L'acil-CoA entra quindi nuovamente nelle reazioni di β-ossidazione. I cicli continuano finché l'Acil-CoA si trasforma in Acetil-CoA con 2 atomi di C (se l'FA aveva un numero pari di atomi di C) o Butirril-CoA con 3 atomi di C (se l'FA aveva un numero dispari di atomi di C).

Bilancio energetico dell'ossidazione degli acidi grassi saturi con un numero pari di atomi di carbonio

Quando la FA viene attivata, vengono consumati 2 legami macroergici di ATP.

Durante l'ossidazione di un FA saturo con un numero pari di atomi di C, si formano solo FADH 2, NADH 2 e acetil-CoA.

Durante 1 ciclo di β-ossidazione si formano 1 FADH 2 , 1 NADH 2 e 1 Acetil-CoA, che dopo l'ossidazione producono 2 + 3 + 12 = 17 ATP.

Numero di cicli durante la β-ossidazione di FA = numero di atomi di C in (FA/2)-1. Durante la β-ossidazione, l'acido palmitico subisce (16/2)-1 = 7 cicli. In 7 cicli si forma 17*7=119 ATP.

L'ultimo ciclo di β-ossidazione è accompagnato dalla formazione di ulteriore acetil-CoA, che dopo l'ossidazione produce 12 ATP.

Pertanto, l'ossidazione dell'acido palmitico produce: -2+119+12=129 ATP.

Equazione riassuntiva per la β-ossidazione, palmitoil-CoA:

C 15 H 31 CO-CoA + 7 FAD + 7 NAD + + 7 HSKoA → 8 CH 3 -CO-KoA + 7 FADH 2 + 7 NADH 2

Bilancio energetico dell'ossidazione degli acidi grassi saturi con un numero dispari di atomi di carbonio

La β-ossidazione di un FA saturo con un numero dispari di atomi di C all'inizio procede allo stesso modo di un numero pari. 2 legami macroergici di ATP vengono spesi per l'attivazione.

FA con 17 atomi di C subisce β-ossidazione 17/2-1 = 7 cicli. In 1 ciclo, da 1 RICA 2, 1 NADH 2 e 1 Acetil-CoA si formano 2 + 3 + 12 = 17 ATP. In 7 cicli si forma 17*7=119 ATP.

L'ultimo ciclo di β-ossidazione è accompagnato dalla formazione non di Acetil-CoA, ma di Propionil-CoA con 3 atomi di C.

Il propionil-CoA viene carbossilato al costo di 1 ATP dalla propionil-CoA carbossilasi per formare D-metilmalonil-CoA, che, dopo isomerizzazione, viene convertito prima in L-metilmalonil-CoA e poi in succinil-CoA. Il succinil-CoA è incluso nel ciclo TCA e, dopo l'ossidazione, produce PCA e 6 ATP. PIKE può entrare nella gluconeogenesi per la sintesi del glucosio. La carenza di vitamina B12 porta all'accumulo di metilmalonile nel sangue e all'escrezione nelle urine. Durante l'ossidazione degli FA si forma: -2+119-1+6=122 ATP.

L'equazione generale per la β-ossidazione degli FA con 17 atomi di C:

C 16 H 33 CO-CoA + 7 FAD + 7 NAD + + 7 HSKoA → 7 CH 3 -CO-KoA + 1 C 2 H 5 -CO-KoA + 7 FADH 2 + 7 NADH 2

Bilancio energetico dell'ossidazione degli acidi grassi insaturi con un numero pari di atomi di carbonio

Circa la metà degli acidi grassi presenti nel corpo umano sono insaturi. La β-ossidazione di questi acidi procede nel modo consueto fino a quando il doppio legame si trova tra gli atomi di C 3 e 4. L'enzima enoil-CoA isomerasi sposta quindi il doppio legame dalla posizione 3-4 alla posizione 2-3 e modifica la conformazione cis di il doppio legame al trans, necessario per la β-ossidazione. In questo ciclo di β-ossidazione, poiché il doppio legame è già presente nell'FA, non avviene la prima reazione di deidrogenazione e non si forma FADH 2. Inoltre, i cicli di β-ossidazione continuano, non diversamente dal percorso abituale.

Il bilancio energetico viene calcolato allo stesso modo degli FA saturi con un numero pari di atomi di C, solo che per ogni doppio legame manca 1 FADN 2 e, di conseguenza, 2 ATP.

L'equazione generale per la β-ossidazione del palmitoleil-CoA è:

C 15 H 29 CO-CoA + 6 FAD + 7 NAD + + 7 HSKoA → 8 CH 3 -CO-KoA + 6 FADH 2 + 7 NADH 2

Bilancio energetico della β-ossidazione dell'acido palmitoleico: -2+8*12+6*2+7*3=127 ATP.

Fame, attività fisica → glucagone, adrenalina → lipolisi dei TG negli adipociti → FA nel sangue → β-ossidazione in condizioni aerobiche nei muscoli, nel fegato → 1) ATP; 2) ATP, NADH 2, Acetil-CoA, (FA) → ↓ glicolisi → risparmio di glucosio necessario per il tessuto nervoso, i globuli rossi, ecc.

Cibo → insulina → glicolisi → acetil-CoA → sintesi di malonil-CoA e FA

Sintesi di malonil-CoA → malonil-CoA → ↓ carnitina aciltransferasi I nel fegato → ↓ trasporto degli FA nella matrice mitocondriale → ↓ FA nella matrice → ↓ β-ossidazione degli FA

Biosintesi degli IVFA. Struttura del complesso palmitato sintasi. Chimica e regolazione del processo.

Sintesi dell'acido palmitico

Formazione di malonil-CoA

La prima reazione nella sintesi degli FA è la conversione dell'acetil-CoA in malonil-CoA. Questa reazione regolatoria nella sintesi degli FA è catalizzata dall'acetil-CoA carbossilasi.

L'acetil-CoA carbossilasi è costituita da diverse subunità contenenti biotina.

La reazione avviene in 2 fasi:

1) CO 2 + biotina + ATP → biotina-COOH + ADP + Fn

2) acetil-CoA + biotina-COOH → malonil-CoA + biotina

L'acetil-CoA carbossilasi è regolata in diversi modi:

3)​ Associazione/dissociazione di complessi di subunità enzimatiche. Nella sua forma inattiva, l'acetil-CoA carbossilasi è un complesso costituito da 4 subunità. Il citrato stimola l'unione di complessi, a seguito della quale aumenta l'attività enzimatica. Il palmitoil-CoA provoca la dissociazione dei complessi e una diminuzione dell'attività enzimatica;

2) Fosforilazione/defosforilazione dell'acetil-CoA carbossilasi. Il glucagone o l'adrenalina, attraverso il sistema dell'adenilato ciclasi, stimola la fosforilazione delle subunità dell'acetil-CoA carbossilasi, che porta alla sua inattivazione. L'insulina attiva la fosfoproteina fosfatasi, l'acetil-CoA carbossilasi viene defosforilata. Quindi, sotto l'influenza del citrato, avviene la polimerizzazione dei protomeri dell'enzima e diventa attivo;

3) Il consumo a lungo termine di alimenti ricchi di carboidrati e poveri di lipidi porta ad un aumento della secrezione di insulina, che induce la sintesi di acetil-CoA carbossilasi, palmitato sintasi, citrato liasi, isocitrato deidrogenasi e accelera la sintesi di FA e T.G. Il digiuno o una dieta ricca di grassi porta ad una diminuzione della sintesi degli enzimi e, di conseguenza, di FA e TG.

Formazione di acido palmitico

Dopo la formazione del malonil-CoA, la sintesi dell'acido palmitico continua nel complesso multienzimatico - sintasi degli acidi grassi (palmitoil sintetasi) .

La palmitoil sintasi è un dimero costituito da due catene polipeptidiche identiche. Ciascuna catena ha 7 siti attivi e una proteina di trasferimento acilico (ACP). Ciascuna catena ha 2 gruppi SH: un gruppo SH appartiene alla cisteina, l'altro appartiene al residuo dell'acido fosfopanteico. Il gruppo SH cisteina di un monomero si trova accanto al gruppo SH 4-fosfopanteteinato dell'altro protomero. Pertanto, i protomi dell’enzima sono disposti “testa a coda”. Sebbene ogni monomero contenga tutti i siti catalitici, un complesso di 2 protomeri è funzionalmente attivo. Pertanto, 2 LC vengono effettivamente sintetizzate contemporaneamente.

Questo complesso estende sequenzialmente il radicale FA di 2 atomi di carbonio, il cui donatore è malonil-CoA.

Reazioni di sintesi dell'acido palmitico

1) Trasferimento dell'acetile dal CoA al gruppo SH della cisteina da parte del centro dell'acetiltransacilasi;

2) Trasferimento di malonil dal CoA al gruppo SH dell'ACP da parte del centro della malonil transacilasi;

3) Nel centro della chetoacil sintasi, il gruppo acetile si condensa con il gruppo malonile per formare un chetoacile e rilasciare CO 2 .

4) Il chetoacile viene ridotto dalla chetoacil reduttasi a idrossiacile;

5) L'ossiacile viene disidratato dall'idratasi in enoile;

6) L'enoile viene ridotto dall'enoil reduttasi ad acile.

Come risultato del primo ciclo di reazioni si forma un acile con 4 atomi di carbonio (butirrile). Successivamente, il butirrile viene trasferito dalla posizione 2 alla posizione 1 (dove si trovava l'acetile all'inizio del primo ciclo di reazioni). Il butirrile subisce poi le stesse trasformazioni e si allunga di 2 atomi di carbonio (da malonil-CoA).

Cicli simili di reazioni si ripetono fino alla formazione di un radicale dell'acido palmitico che, sotto l'azione del centro della tioesterasi, viene separato idroliticamente dal complesso enzimatico, trasformandosi in acido palmitico libero.

L'equazione generale per la sintesi dell'acido palmitico da acetil-CoA e malonil-CoA è la seguente:

CH 3 -CO-SKoA + 7 HOOC-CH 2 -CO-SKoA + 14 NADPH 2 → C 15 H 31 COOH + 7 CO 2 + 6

H2O + 8 HSKoA + 14 NADP +

Sintesi di FA da palmitico e altri FA

Estensione degli FA nelle reazioni dell'elongasi

L'allungamento dell'acido grasso è chiamato allungamento. Gli FA possono essere sintetizzati come risultato dell'allungamento dell'acido palmitico e di altri FA più lunghi nel RE. Ci sono allungamenti per ciascuna lunghezza LC. La sequenza delle reazioni è simile alla sintesi dell'acido palmitico, ma in questo caso la sintesi non avviene con ACP, ma con CoA. Il principale prodotto di allungamento nel fegato è l’acido stearico. Nei tessuti nervosi si formano FA a catena lunga (C = 20-24), necessari per la sintesi degli sfingolipidi.

Sintesi di acidi grassi insaturi nelle reazioni desaturasi

L'incorporazione di doppi legami nei radicali FA è chiamata desaturazione. La desaturazione degli FA avviene nell'ER nelle reazioni della monoossigenasi catalizzate dalle desaturasi.

Stearoil-CoA desaturasi– enzima integrale, contiene ferro non eme. Catalizza la formazione di 1 doppio legame tra 9 e 10 atomi di carbonio in FA. La desaturasi della stearoil-CoA trasferisce gli elettroni dal citocromo b 5 a 1 atomo di ossigeno, con la partecipazione di protoni questo ossigeno forma acqua. Il secondo atomo di ossigeno viene incorporato nell'acido stearico per formare il suo idrossiacile, che deidrogena in acido oleico.

Le desaturasi degli FA presenti nel corpo umano non possono formare doppi legami negli FA distali al nono atomo di carbonio, quindi gli FA delle famiglie ω-3 e ω-6 non vengono sintetizzati nell'organismo, sono essenziali e devono essere forniti con l'alimentazione, in quanto svolgere importanti funzioni regolatorie. I principali acidi grassi formati nel corpo umano a seguito della desaturazione sono il palmitoleico e l'oleico.

Sintesi di α-idrossi FA

La sintesi di altri FA, gli α-idrossiacidi, avviene anche nel tessuto nervoso. Le ossidasi a funzione mista idrossilano gli acidi C22 e C24 per formare acido cerebronico, presente solo nei lipidi cerebrali.

E la catena respiratoria, per convertire l'energia contenuta negli acidi grassi nell'energia dei legami ATP.

Ossidazione degli acidi grassi (β-ossidazione)

Schema elementare della β-ossidazione.

Questo percorso è chiamato β-ossidazione, poiché il 3° atomo di carbonio dell'acido grasso (posizione β) viene ossidato in un gruppo carbossilico, mentre allo stesso tempo il gruppo acetile, comprendente C 1 e C 2 dell'acido grasso originale, viene separato dall'acido.

Le reazioni di β-ossidazione si verificano nei mitocondri della maggior parte delle cellule del corpo (ad eccezione delle cellule nervose). Per l'ossidazione vengono utilizzati gli acidi grassi che entrano nel citosol dal sangue o compaiono durante la lipolisi dei propri TAG intracellulari. L'equazione generale per l'ossidazione dell'acido palmitico è la seguente:

Palmitoil-SCoA + 7FAD + 7NAD + + 7H 2 O + 7HS-KoA → 8Acetil-SCoA + 7FADH 2 + 7NADH

Fasi dell'ossidazione degli acidi grassi

Reazione di attivazione degli acidi grassi.

1. Prima di penetrare nella matrice mitocondriale ed essere ossidato, l'acido grasso deve essere attivato nel citosol. Ciò si ottiene aggiungendo il coenzima A per formare acil-S-CoA. Acil-S-CoA è un composto ad alta energia. L'irreversibilità della reazione si ottiene mediante idrolisi del difosfato in due molecole di acido fosforico.

Trasporto degli acidi grassi nel mitocondrio dipendente dalla carnitina.

2. L'acil-S-CoA non è in grado di passare attraverso la membrana mitocondriale, quindi esiste un modo per trasportarlo in combinazione con la sostanza vitaminica carnitina. La membrana esterna dei mitocondri contiene l'enzima carnitina aciltransferasi I.

La carnitina viene sintetizzata nel fegato e nei reni e poi trasportata agli altri organi. Nel periodo prenatale e nei primi anni di vita l'importanza della carnitina per l'organismo è estremamente elevata. L’apporto energetico al sistema nervoso del corpo del bambino e, in particolare, al cervello avviene attraverso due processi paralleli: l’ossidazione degli acidi grassi dipendente dalla carnitina e l’ossidazione aerobica del glucosio. La carnitina è necessaria per la crescita del cervello e del midollo spinale, per l'interazione di tutte le parti del sistema nervoso responsabili del movimento e dell'interazione muscolare. Esistono studi che collegano la paralisi cerebrale e il fenomeno della “morte nella culla” alla carenza di carnitina.

3. Dopo essersi legato alla carnitina, l'acido grasso viene trasportato attraverso la membrana mediante translocasi. Qui, sul lato interno della membrana, l'enzima carnitina aciltransferasi II forma nuovamente acil-S-CoA, che entra nella via della β-ossidazione.

Sequenza di reazioni di β-ossidazione degli acidi grassi.

4. Il processo di β-ossidazione stesso consiste di 4 reazioni, ripetute ciclicamente. Subiscono successivamente ossidazione (acil-SCoA deidrogenasi), idratazione (enoil-SCoA idratasi) e ancora ossidazione del 3o atomo di carbonio (idrossiacil-SCoA deidrogenasi). Nell'ultima reazione transferasi, l'acetil-SCoA viene scisso dall'acido grasso. L'HS-CoA viene aggiunto all'acido grasso rimanente (accorciato di due atomi di carbonio) e ritorna alla prima reazione. Questo viene ripetuto fino a quando l'ultimo ciclo produce due acetil-SCoA.

Calcolo del bilancio energetico della β-ossidazione

Nel calcolare la quantità di ATP formata durante la β-ossidazione degli acidi grassi, è necessario tenere conto:

• la quantità di acetil-SCoA formata è determinata dalla consueta divisione per 2 del numero di atomi di carbonio dell'acido grasso;
• numero di cicli di β-ossidazione. Il numero di cicli di β-ossidazione è facile da determinare in base al concetto di acido grasso come catena di unità a due atomi di carbonio. Il numero di pause tra le unità corrisponde al numero di cicli di β-ossidazione. Lo stesso valore può essere calcolato utilizzando la formula (n/2 −1), dove n è il numero di atomi di carbonio nell'acido;
• numero di doppi legami in un acido grasso. Nella prima reazione di β-ossidazione si forma un doppio legame con la partecipazione del FAD. Se nell'acido grasso è già presente un doppio legame, questa reazione non è necessaria e non si forma FADH 2. Il numero di RICA 2 non formate corrisponde al numero di doppi legami. Le restanti reazioni del ciclo procedono senza modifiche;
• la quantità di energia ATP spesa per l'attivazione (corrisponde sempre a due legami ad alta energia).

Esempio. Ossidazione dell'acido palmitico

• Poiché gli atomi di carbonio sono 16, la β-ossidazione produce 8 molecole di acetil-SCoA. Quest'ultimo entra nel ciclo del TCA; quando viene ossidato in un giro del ciclo si formano 3 molecole di NADH, 1 molecola di FADH 2 e 1 molecola di GTP, che equivale a 12 molecole di ATP (vedi anche Metodi di ottenimento energia nella cellula). Quindi, 8 molecole di acetil-S-CoA forniranno la formazione di 8 × 12 = 96 molecole di ATP.
• per l'acido palmitico il numero di cicli di β-ossidazione è 7. In ogni ciclo si formano 1 molecola di FADH 2 e 1 molecola di NADH. Entrando nella catena respiratoria, in totale “cedono” 5 molecole di ATP. Pertanto, in 7 cicli si formano 7 × 5 = 35 molecole di ATP.
• Non ci sono doppi legami nell'acido palmitico.
• 1 molecola di ATP viene utilizzata per attivare l'acido grasso, che, tuttavia, viene idrolizzato in AMP, ovvero vengono esauriti 2 legami ad alta energia o due ATP.

Quindi, riassumendo, otteniamo 96 + 35-2 = 129 Le molecole di ATP si formano durante l'ossidazione dell'acido palmitico.

2.1. Ossidazione degli acidi grassi nelle cellule

Gli acidi grassi superiori possono essere ossidati nelle cellule in tre modi:

a) mediante a-ossidazione,

b) mediante b-ossidazione,

c) mediante w-ossidazione.

I processi di a- e w-ossidazione degli acidi grassi superiori avvengono nei microsomi cellulari con la partecipazione di enzimi monoossigenasi e svolgono una funzione prevalentemente plastica - durante questi processi, la sintesi di idrossiacidi, chetoacidi e acidi con un numero dispari di carbonio si verificano gli atomi necessari per le cellule. Pertanto, durante l’a-ossidazione, un acido grasso può accorciarsi di un atomo di carbonio, trasformandosi così in un acido con un numero dispari di atomi “C”, secondo lo schema dato:

2.1.1. b-ossidazione degli acidi grassi superiori Il principale metodo di ossidazione degli acidi grassi superiori, almeno in relazione alla quantità totale di composti di questa classe ossidati nella cellula, è il processo di b-ossidazione, scoperto da Knoop nel 1904. Questo processo può essere definito come il processo di degradazione ossidativa graduale degli acidi grassi superiori, durante il quale avviene una scissione sequenziale di frammenti a due atomi di carbonio sotto forma di acetil-CoA dal gruppo carbossilico della molecola di acido grasso superiore attivata. .

Gli acidi grassi superiori che entrano nella cellula vengono attivati ​​e convertiti in acil-CoA (R-CO-SKoA) e l'attivazione degli acidi grassi avviene nel citosol. Il processo di b-ossidazione degli acidi grassi avviene nella matrice mitocondriale. Allo stesso tempo, la membrana interna dei mitocondri è impermeabile all'acil-CoA, il che solleva la questione del meccanismo di trasporto dei residui acilici dal citosol alla matrice mitocondriale.

I residui acilici vengono trasportati attraverso la membrana mitocondriale interna utilizzando un trasportatore speciale, che è la carnitina (CN):

Nel citosol, con l'aiuto dell'enzima esterno acilCoA:carnitina aciltransferasi (E1 nel diagramma seguente), il residuo di acido grasso superiore viene trasferito dal coenzima A alla carnitina per formare acilcarnitina:

L'acilcarnitinina, con la partecipazione di uno speciale sistema carnitina-acilcarnitina-translocasi, passa attraverso la membrana nel mitocondrio e nella matrice, con l'aiuto dell'enzima acil-CoA interno: carnitina aciltransferasi (E2), il residuo acilico viene trasferito da carnitina al coenzima A intramitocondriale. Di conseguenza, nella matrice mitocondriale appare un residuo attivato di acido grasso sotto forma di acil-CoA; la carnitina liberata, utilizzando la stessa traslocasi, attraversa la membrana mitocondriale nel citosol, dove può essere inclusa in un nuovo ciclo di trasporto. La carnitina acilcarnitina translocasi, incorporata nella membrana interna dei mitocondri, trasferisce una molecola di acilcarnitina nel mitocondrio in cambio di una molecola di carnitina rimossa dal mitocondrio.

L'acido grasso attivato nella matrice mitocondriale subisce un'ossidazione ciclica graduale secondo il seguente schema:

Come risultato di un ciclo di b-ossidazione, il radicale dell’acido grasso viene accorciato di 2 atomi di carbonio e il frammento scisso viene rilasciato come acetil-CoA. Equazione riepilogativa del ciclo:

Durante un ciclo di b-ossidazione, ad esempio, durante la conversione dello stearoil-CoA in palmitoil-CoA con la formazione di acetil-CoA, vengono rilasciate 91 kcal/mol di energia libera, ma la maggior parte di questa energia si accumula sotto forma di energia dai coenzimi ridotti e la perdita di energia sotto forma di calore ammonta a solo circa 8 kcal/mol.

L'acetil-CoA risultante può entrare nel ciclo di Krebs, dove verrà ossidato nei prodotti finali, oppure può essere utilizzato per altre esigenze cellulari, ad esempio per la sintesi del colesterolo. L'acil-CoA, accorciato di 2 atomi di carbonio, entra in un nuovo ciclo di b-ossidazione. Come risultato di diversi cicli successivi di ossidazione, l'intera catena di carbonio dell'acido grasso attivato viene scissa in "n" molecole di acetil-CoA, il valore di "n" essendo determinato dal numero di atomi di carbonio nell'acido grasso originale.

L'effetto energetico di un ciclo di b-ossidazione può essere valutato in base al fatto che durante il ciclo si formano 1 molecola di FADH2 e 1 molecola di NADH + H. Quando entrano nella catena degli enzimi respiratori, verranno sintetizzate 5 molecole di ATP (2 + 3). Se l’acetil-CoA risultante viene ossidato nel ciclo di Krebs, la cellula riceverà altre 12 molecole di ATP.

Per l'acido stearico, l'equazione complessiva per la sua b-ossidazione ha la forma:

I calcoli mostrano che durante l'ossidazione dell'acido stearico nella cellula verranno sintetizzate 148 molecole di ATP. Nel calcolare il bilancio energetico dell'ossidazione, è necessario escludere da questa quantità 2 equivalenti macroergici spesi durante l'attivazione di un acido grasso (durante l'attivazione, l'ATP viene scomposto in AMP e 2 H3PO4). Pertanto, quando l'acido stearico viene ossidato, la cellula riceverà 146 molecole di ATP.

Per fare un confronto: durante l'ossidazione di 3 molecole di glucosio, che contengono anche 18 atomi di carbonio, la cellula riceve solo 114 molecole di ATP, cioè Gli acidi grassi più elevati sono un combustibile energetico più benefico per le cellule rispetto ai monosaccaridi. A quanto pare, questa circostanza è una delle ragioni principali per cui le riserve energetiche del corpo si presentano prevalentemente sotto forma di triacilgliceroli e non di glicogeno.

La quantità totale di energia libera rilasciata durante l'ossidazione di 1 mole di acido stearico è di circa 2632 kcal, di cui circa 1100 kcal vengono accumulate sotto forma di energia dei legami ad alta energia delle molecole di ATP sintetizzate l'energia libera totale rilasciata viene accumulata.

La velocità di β-ossidazione degli acidi grassi superiori è determinata, in primo luogo, dalla concentrazione di acidi grassi nella cellula e, in secondo luogo, dall'attività dell'acil-CoA esterno: la carnitina aciltransferasi. L'attività dell'enzima è inibita dal malonil-CoA. Sul significato di quest'ultimo meccanismo di regolazione ci soffermeremo un po' più tardi, quando discuteremo del coordinamento dei processi di ossidazione e sintesi degli acidi grassi nella cellula.

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