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).

Кнооп в 1904 г. выдвинул гипотезу β-окисления жирных кислот на основании опытов по скармливанию кроликам различных жирных кислот, в которых один атом водорода в концевой метальной группе (у ω-углеродного атома) был замещен фенильным радикалом (С 6 Н 5 -).

Кнооп высказал предположение, что окисление молекулы жирной кислоты в тканях организма происходит в β-положении; в результате происходит последовательное отсечение от молекулы жирной кислоты двууглеродных фрагментов со стороны карбоксильной группы.

Жирные кислоты, входящие в состав естественных жиров животных и растений, принадлежат к ряду с четным числом углеродных атомов. Любая такая кислота, отщепляя по паре углеродных атомов, в конце концов проходит через стадию масляной кислоты, которая после очередного β-окисления должна дать ацетоуксусную кислоту. Последняя затем гидролизуется до двух молекул уксусной кислоты.

Теория β-окисления жирных кислот, предложенная Кноопом, не потеряла своего значения и до настоящего времени и является в значительной мере основой современных представлений о механизме окисления жирных кислот.

Современные представления об окислении жирных кислот

Установлено, что окисление жирных кислот в клетках происходит в митохондриях при участии мультиферментного комплекса. Известно также, что жирные кислоты первоначально активируются при участии АТФ и HS-KoA; субстратами на всех последующих стадиях ферментативного окисления жирных кислот служат КоА-эфиры этих кислот; выяснена также роль карнитина в транспорте жирных кислот из цитоплазмы в митохондрии.

Процесс окисления жирных кислот складывается из следующих основных этапов.

Активация жирных кислот и их проникновение из цитоплазмы в митохондрии . Образование "активной формы" жирной кислоты (ацил-КоА) из коэнзима А и жирной кислоты является эндергоническим порцессом протекающим за счет использования энергии АТФ:

Реакция катализируется ацил-КоА-синтетазой. Существует несколько таких ферментов: один из них катализирует активацию жирных кислот, содержащих от 2 до 3 углеродных атомов, другой- от 4 до 12 атомов, третий - от 12 и более атомов углерода.

Как уже отмечалось, окисление жирных кислот (ацил-КоА) происходит в митохондриях. В последние годы было показано, что способность ацил-КоА проникать из цитоплазмы в митохондрии резко возрастает в присутствии азотистого основания - карнитина (γ-триметиламино-β-гидроксибутирата). Ацил-КоА, соединяясь с карнитином, при участии специфического цитоплазматического фермента (карнитин-ацил-КоА-трансферазы) образует ацилкарнитин (эфир карнитина и жирной кислоты), который обладает способностью проникать внутрь митохондрии:

После прохождения ацилкарнитина через мембрану митохондрии происходит обратная реакция - расщепление ацилкарнитина при участии HS-KoA и митохондриальной карнитин-ацил-КоА-трансферазы:

При этом карнитин возвращается в цитоплазму клетки, а ацил-КоА подвергается в митохондриях окислению.

Первая стадия дегидрирования. Ацил-КоА в митохондриях прежде всего подвергается ферментативному дегидрированию;

при этом ацил-КоА теряет два атома водорода в α- и β-положении, превращаясь в КоА-эфир ненасыщенной кислоты:

По-видимому, существует несколько ФАД-содержащих ацил-КоА-дегидрогеназ, каждая из которых обладает специфичностью по отношению к ацил-КоА с определенной длиной углеродной цепи.

Стадия гидратации. Ненасыщенный ацил-КоА (еноил-КоА) при участии фермента еноил-КоА-гидратазы присоединяет молекулу воды. В результате образуется β-гидроксиацил-КоА:

Вторая стадия дегидрирования. Образовавшийся β-гидроксиацил-КоА затем дегидрируется. Эту реакцию катализируют НАД-зависимые дегидрогеназы. Реакция протекает по следующему уравнению:

В этой реакции β-кетоацил-КоА взаимодействует с коэнзимом А. В результате происходит расщепление β-кетоацил-КоА и образуется укороченный на два углеродных атома ацил-КоА и двууглеродный фрагмент в виде ацетил-КоА. Данная реакция катализируется ацетил-КоА-ацилтрансфе-разой (или тиолазой):

Образовавшийся ацетил-КоА подвергается окислению в цикле трикарбоновых кислот (цикле Кребса), а ацил-КоА, укоротившийся на два углеродных атома, снова многократно проходит весь путь β-окисления вплоть до образования бутирил-КоА (4-углеродное соединение), который в свою очередь окисляется до двух молекул ацетил-КоА (см. схему).

Например, в случае пальмитиновой кислоты (С 16) повторяются 7 циклов окисления. Запомним, что при окислении жирной кислоты, содержащей n углеродных атомов, происходит n/2 - 1 циклов β-окисления (т. е. на один цикл меньше, чем n/2 , так как при окислении бутирил-КоА сразу происходит образование двух молекул ацетил-КоА) и всего получится n/2 молекул ацетил-КоА.

Следовательно, суммарное уравнение р-окисления пальмитиновой кислоты можно написать так:

Пальмитоил-КоА + 7 ФАД + 7 НАД + 7Н 2 O + 7HS-KoA --> 8 Ацетил - КоА + 7 ФАДН 2 + 7 НАДН 2 .

Баланс энергии. При каждом цикле β-окисления образуются 1 молекула ФАДН 2 и 1 молекула НАДН 2 . Последние в процессе окисления в дыхательной цепи и сопряженного с ним фосфорилирования дают: ФАДН 2 - две молекулы АТФ и НАДН 2 - три молекулы АТФ, т. е. в сумме за один цикл образуется 5 молекул АТФ. В случае окисления пальмитиновой кислоты проходит 7 циклов β-окисления (16/2 - 1 = 7), что ведет к образованию 5X7 = 35 молекул АТФ. В процессе β-окисления пальмитиновой кислоты образуется - молекул ацетил-КоА, каждая из которых, сгорая в цикле трикарбоновых кислот, дает 12 молекул АТФ, а 8 молекул дадут 12X8 = 96 молекул АТФ.

Таким образом, всего при полном окислении пальмитиновой кислоты образуется 35+96=131 молекула АТФ. Однако с учетом одной молекулы АТФ, потраченной в самом начале на образование активной формы пальмитиновой кислоты (пальмитоил-КоА), общий энергетический выход при полном окислении одной молекулы пальмитиновой кислоты в условиях животного организма составит 131-1 = 130 молекул АТФ (заметим, что при полном окислении одной молекулы глюкозы образуется лишь 36 молекул АТФ).

Подсчитано, что если изменение свободной энергии системы (ΔG) при полном сгорании одной молекулы пальмитиновой кислоты составляет 9797 кДж, а богатая энергией концевая фосфатная связь АТФ характеризуется величиной около 34,5 кДж, то выходит, что примерно 45% всей потенциальной энергии пальмитиновой кислоты при ее окислении в организме может быть использовано для ресинтеза АТФ, а оставшаяся часть, по-видимому, теряется в виде тепла.

Гидролиз триглицеридов осуществляет панкреатическая липаза. Ее оптимум рН=8, она гидролизует ТГ преимущественно в положениях 1 и 3, с образованием 2 свободных жирных кислот и 2-моноацилглицерола (2-МГ). 2-МГ является хорошим эмульгатором. 28% 2-МГ под действием изомеразы превращается в 1-МГ. Большая часть 1-МГ гидролизуется панкреатической липазой до глицерина и жирной кислоты.В поджелудочной железе панкреатическая липаза синтезируется вместе с белком колипазой. Колипаза образуется в неактивном виде и в кишечнике активируется трипсином путем частичного протеолиза. Колипаза своим гидрофобным доменом связывается с поверхностью липидной капли, а гидрофильным способствует максимальному приближению активного центра панкреатической липазы к ТГ, что ускоряет их гидролиз.

Окисление происходит в матриксе митохондрий. Сначала жирная кислота активируется: 1 .В цитоплазме каждой кислота активируется с использованием КоА-8Н и энергии АТФ. 2. Активная жирная кислота- ацил-КоА - из цитозоля транспортируется в матрикс митохондрий (МХ). КоА-8Н остается в цитозоле, а остаток жирной кислоты - ацил- соединяется с карнитином (от лат.- сагшз- мясо) - карнитин выделен из мышечной ткани) с образованием ацил-карнитина, который поступает в межмембранное пространство МХ. Их межмембранного пространства митохондрий комплекс ацил-карнитин переносится в матрикс МХ. При этом карнитин остается в межмембранном пространстве. В матриксе ацил соединяется с КоА-8Н. 3. Окисление. В матриксе МХ образуется активная жирная кислота, которая в дальнейшем подвергается реакциям окисления до конечных продуктов. При бета- окислении окисляется группа-СН2- в бета- положении жирной кислоты до группы-С-. При этом на двух стадиях происходит дегидрирование: при участии ацилдегидрогеназы (флавиновый фермент, водород переносится на убихинон) и бета-оксиацилдегидрогеназа (акцептор водорода НАД+). Затем бета -кетоацил-КоА при действии фермента тиолазы, распадается на ацетил КоА и ацил-КоА, укороченный на 2 углеродных атома по сравнению с исходным. Этот ацил-КоА вновь подвергается бета-окислению. Многократное повторение этого процесса приводит к полному распаду жирной кислоты до ацил-КоА. Окисление жирных кислот. Включает 2 этапа: 1.последовательное отщепление от С-конца кислоты двухуглеродного фрагмента в виде ацетил-КоА; 2.окисление ацетил-КоА в цикле Кребса до СО2 и Н2О. Энергетическая ценность окисления жирных кислот. Стеариновая кислота(С 18) проходит 8 циклов окисления с образованием 9 ацетил-КоА.В каждом цикле окисления образуется 8*5 АТФ=40 АТФ, ацетил-КоА дает 9*12 АТФ=108 АТФ. Итого:148 АТФ, но 1 АТФ расходуется на активацию жирной кислоты в цитозоле, поэтому итог 147 АТФ

β - окисление высших жирных кислот (ВЖК). Энергетическая эффективность процесса (для предельных и непредельных жирных кислот). Влияние тканевого окисления ВЖК на утилизацию глюкозы тканями.

β-окисление - специфический путь катаболизма ЖК с неразветвленной средней и короткой углеводородной цепью. β-окисление протекает в матриксе митохондрий, при котором от С конца ЖК последовательно отделяется по 2 атома С в виде Ацетил-КоА. β-окисление ЖК происходит только в аэробных условиях и является источником большого количества энергии.β-окисление ЖК активно протекает в красных скелетных мышцах, сердечной мышце, почках и печени. ЖК не служат источником энергии для нервных тканей, так как ЖК не проходят через гематоэнцефалический барьер, как и другие гидрофобные вещества.β-окисление ЖК увеличивается в постабсорбтивный период, при голодании и физической работе. При этом концентрация ЖК в крови увеличивается в результате мобилизации ЖК из жировых ткани.

Активация ЖК

Активация ЖК происходит в результате образования макроэргической связи между ЖК и HSКоА с образованием Ацил-КоА. Реакцию катализирует фермент Ацил-КоА синтетаза:

RCOOH + HSKoA + АТФ → RCO~SКоА + АМФ+ PPн

Пирофосфат гидролизуется ферментом пирофосфатазой: Н 4 Р 2 О 7 + Н 2 О → 2Н 3 РО 4

Ацил-КоА синтетазы находятся как в цитозоле (на внешней мембране митохондрий), так и в матриксе митохондрий. Эти ферменты отличаются по специфичности к ЖК с различной длиной углеводородной цепи.

Транспорт ЖК . Транспорт ЖК в матрикс митохондрий зависит от длины углеродной цепи.

ЖК с короткой и средней длиной цепи (от 4 до 12 атомов С) могут проникать в матрикс митохондрий путём диффузии. Активация этих ЖК происходит ацил-КоА синтетазами в матриксе митохондрий.ЖК с длинной цепью, сначала активируются в цитозоле (ацил-КоА синтетазами на внешней мембране митохондрий), а затем переносятся в матрикс митохондрий специальной транспортной системой с помощью карнитина. Карнитин поступает с пищей или синтезируется из лизина и метионина с участием витамина С.

В наружной мембране митохондрий фермент карнитинацилтрансфераза I (карнитин-пальмитоилтрансфераза I) катализирует перенос ацила с КоА на карнитин с образованием ацилкарнитина;

Ацилкарнитин проходит через межмембранное пространство к наружной стороне внутренней мембраны и транспортируется с помощью карнитинацилкарнитинтранслоказы на внутреннюю поверхность внутренней мембраны митохондрий;

Фермент карнитинацилтрансфераза II катализирует перенос ацила с карнитина на внутримитохондриальный HSКоА с образованием Ацил-КоА;

Свободный карнитин возвращается на цитозольную сторону внутренней мембраны митохондрий той же транслоказой.

Реакции β-окисление ЖК

1.​ β-окисление начинается с дегидрирования ацил-КоА ФАД-зависимой Ацил-КоА дегидрогеназой с образованием двойной связи (транс) между α- и β-атомами С в Еноил-КоА. Восстановленный ФАДН 2 окисляясь в ЦПЭ, обеспечивает синтез 2 молекул АТФ;

2.​ Еноил-КоА гидратаза присоединяет воду к двойной связи Еноил-КоА с образованием β-оксиацил-КоА;

3.​ β-оксиацил-КоА окисляется НАД зависимой дегидрогеназой до β-кетоацил-КоА. Восстановленный НАДН 2 , окисляясь в ЦПЭ, обеспечивает синтез 3 молекул АТФ;

4.​ Тиолаза с участием HКоА отщепляет от β-кетоацил-КоА Ацетил-КоА. В результате 4 реакций образуется Ацил-КоА, который короче предыдущего Ацил-КоА на 2 углерода. Образованный Ацетил-КоА окисляясь в ЦТК, обеспечивает синтез в ЦПЭ 12 молекул АТФ.

Затем Ацил-КоА снова вступает в реакции β-окисления. Циклы продолжаются до тех пор, пока Ацил-КоА не превратится в Ацетил-КоА с 2 атома С (если ЖК имела четное количество атомов С) или Бутирил-КоА с 3 атомами С (если ЖК имела нечетное количество атомов С).

Энергетический баланс окисления насыщенных жк с четным количеством атомов углерода

При активации ЖК затрачивается 2 макроэргической связи АТФ.

При окислении насыщенной ЖК с четным количеством атомов С образуются только ФАДН 2 , НАДН 2 и Ацетил-КоА.

За 1 цикл β-окисления образуется 1 ФАДН 2 , 1 НАДН 2 и 1 Ацетил-КоА, которые при окислении дают 2+3+12=17 АТФ.

Количество циклов при β-окислении ЖК = количество атомов С в (ЖК/2)-1. Пальмитиновая кислота при β-окислении проходит (16/2)-1 = 7 циклов. За 7 циклов образуется 17*7=119 АТФ.

Последний цикл β-окисления сопровождается образованием дополнительной Ацетил-КоА, которая при окислении дает 12 АТФ.

Таким образом, при окислении пальмитиновой кислоты образуется: -2+119+12=129 АТФ.

Суммарное уравнение β-окисления, пальмитоил-КоА:

С 15 Н 31 СО-КоА + 7 ФАД + 7 НАД + + 7 HSKoA → 8 CH 3 -CO-KoA + 7 ФАДН 2 + 7 НАДН 2

Энергетический баланс окисления насыщенных жк с нечетным количеством атомов углерода

β-окисление насыщенной ЖК с нечетным количеством атомов С в начале идет также как и с четным. На активацию затрачивается 2 макроэргической связи АТФ.

ЖК с 17 атомами С проходит при β-окислении 17/2-1 = 7 циклов. За 1 цикл из 1 ФАДН 2 , 1 НАДН 2 и 1 Ацетил-КоА образуется 2+3+12=17 АТФ. За 7 циклов образуется 17*7=119 АТФ.

Последний цикл β-окисления сопровождается образованием не Ацетил-КоА, а Пропионил-КоА с 3 атомами С.

Пропионил-КоА карбоксилируется с затратой 1 АТФ пропионил-КоА-карбоксилазой с образованием D-метилмалонил-КоА, который после изомеризации, превращается сначала в L-метилмалонил-КоА, а затем в Сукцинил-КоА. Сукцинил-КоА включается в ЦТК и при окислении дает ЩУК и 6 АТФ. ЩУК может поступать в глюконеогенез для синтеза глюкозы. Дефицит витамина В 12 приводит к накоплению в крови и выделению с мочой метилмалонила. При окислении ЖК образуется: -2+119-1+6=122 АТФ.

Суммарное уравнение β-окисления ЖК с 17 атомами С:

С 16 Н 33 СО-КоА + 7 ФАД + 7 НАД + + 7 HSKoA → 7 CH 3 -CO-KoA + 1 C 2 H 5 -CO-KoA + 7 ФАДН 2 + 7 НАДН 2

Энергетический баланс окисления ненасыщенных жк с четным количеством атомов углерода

Около половины ЖК в организме человека ненасыщенные. β-окисление этих кислот идёт обычным путём до тех пор, пока двойная связь не окажется между 3 и 4 атомами С. 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 необходима для β-окисления. В этом цикле β-окисления, так как двойная связь в ЖК уже имеется, первая реакция дегидрирования не происходит и ФАДН 2 не образуется. Далее циклы β-окисления продолжаются, не отличаясь от обычного пути.

Энергетический баланс рассчитывается также как и для насыщенных ЖК с четным количеством атомов С, только на каждую двойную связь недосчитывают 1 ФАДН 2 и соответственно 2 АТФ.

Суммарное уравнение β-окисления пальмитолеил-КоА:

С 15 Н 29 СО-КоА + 6 ФАД + 7 НАД + + 7 HSKoA → 8 CH 3 -CO-KoA + 6 ФАДН 2 + 7 НАДН 2

Энергетический баланс β-окисления пальмитолеиновой кислоты: -2+8*12+6*2+7*3=127 АТФ.

Голод, физическая нагрузка → глюкагон, адреналин → липолиз ТГ в адипоцитах → ЖК в крови → β-окисление в аэробных условиях в мышцах, печени → 1) АТФ; 2) АТФ, НАДH 2 , Ацетил-КоА, (ЖК) → ↓ гликолиз → экономию глюкозы, необходимую для нервной ткани, эритроцитов и т.д.

Пища → инсулин → гликолиз → Ацетил-КоА → синтез малонил-КоА и ЖК

Синтез малонил-КоА → малонил-КоА → ↓ карнитинацилтрансферазы I в печени → ↓ транспорт ЖК в матрикс митохондрий → ↓ ЖК в матриксе → ↓ β-окисление ЖК

Биосинтез ВЖК. Строение пальмитатсинтазного комплекса. Химизм и регуляция процесса.

Синтез пальмитиновой кислоты

Образование малонил-КоА

Первая реакция синтеза ЖК - превращение ацетил-КоА в малонил-КоА. Это регуляторная реакция в синтезе ЖК катализируется ацетил-КоА-карбоксилазой.

Ацетил-КоА-карбоксилаза состоит из нескольких субъединиц, содержащих биотин.

Реакция протекает в 2 стадии:

1)​ СО 2 + биотин + АТФ → биотин-СООН + АДФ + Фн

2)​ ацетил-КоА + биотин-СООН → малонил-КоА + биотин

Ацетил-КоА-карбоксилаза регулируется несколькими способами:

3)​ Ассоциация/диссоциация комплексов субъединиц фермента. В неактивной форме ацетил-КоА-карбоксилаза представляет собой комплексы, состоящих из 4 субъединиц. Цитрат стимулирует объединение комплексов, в результате чего активность фермента увеличивается. Пальмитоил-КоА вызывает диссоциацию комплексов и снижение активности фермента;

2)​ Фосфорилирование/дефосфорилирование ацетил-КоА-карбоксилазы. Глюкагон или адреналин через аденилатциклазную систему стимулируют фосфорилирование субъединиц ацетил-КоА карбоксилазы, что приводит к ее инактивации. Инсулин активирует фосфопротеинфосфатазу, ацетил-КоА карбоксилаза дефосфорилируется. Затем под действием цитрата происходит полимеризация протомеров фермента, и он становится активным;

3)​ Длительное потребление богатой углеводами и бедной липидами пищи приводит к увеличению секреции инсулина, который индукцирует синтез ацетил-КоА-карбоксилазы, пальмитатсинтазы, цитратлиазы, изоцитратдегидрогеназы и ускоряет синтез ЖК и ТГ. Голодание или богатая жирами пища приводит к снижению синтеза ферментов и, соответственно, ЖК и ТГ.

Образование пальмитиновой кислоты

После образования малонил-КоА синтез пальмитиновой кислоты продолжается на мультиферментном комплексе - синтазе жирных кислот (пальмитоилсинтетазе) .

Пальмитоилсинтаза - это димер, состоящий из двух идентичных полипептидных цепей. Каждая цепь имеет 7 активных центров и ацилпереносящий белок (АПБ). В каждой цепи есть 2 SH-гpyппы: одна SH-гpyппa принадлежит цистеину, другая - остатку фосфопантетеиновой кислоты. SH-группа цистеина одного мономера расположена рядом с SH-группой 4-фосфопантетеината другого протомера. Таким образом, протомеры фермента расположены «голова к хвосту». Хотя каждый мономер содержит все каталитические центры, функционально активен комплекс из 2 протомеров. Поэтому реально синтезируются одновременно 2 ЖК.

Этот комплекс последовательно удлиняет радикал ЖК на 2 атома С, донором которых служит малонил-КоА.

Реакции синтеза пальмитиновой кислоты

1)​ Перенос ацетила с КоА на SH-группу цистеина ацетилтрансацилазным центром;

2)​ Перенос малонила с КоА на SH-группу АПБ малонилтрансацилазным центром;

3)​ Кетоацилсинтазным центром ацетильная группа конденсируется с малонильной с образованием кетоацила и выделением СО 2 .

4)​ Кетоацил восстанавливается кетоацил-редуктазой до оксиацила;

5)​ Оксиацил дегидратируется гидратазой в еноил;

6)​ Еноил восстанавливается еноилредуктазой до ацила.

В результате первого цикла реакций образуется ацил с 4 атомами С (бутирил). Далее бутирил переносится из позиции 2 в позицию 1 (где находился ацетил в начале первого цикла реакций). Затем бутирил подвергается тем же превращениям и удлиняется на 2 атома С (от малонил-КоА).

Аналогичные циклы реакций повторяются до тех пор, пока не образуется радикал пальмитиновой кислоты, который под действием тиоэстеразного центра гидролитически отделяется от ферментного комплекса, превращаясь в свободную пальмитиновую кислоту.

Суммарное уравнение синтеза пальмитиновой кислоты из ацетил-КоА и малонил-КоА имеет следующий вид:

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

Н 2 О + 8 HSKoA + 14 НАДФ +

Синтез ЖК из пальмитиновой и других ЖК

Удлинение ЖК в элонгазных реакциях

Удлинение ЖК называется элонгацией. ЖК могут синтезироваться в результате удлинение в ЭПР пальмитиновой кислоты и других более длинных ЖК. Для каждой длины ЖК существуют свои элонгазы. Последовательность реакций аналогична синтезу пальмитиновой кислоты, однако в данном случае синтез идет не на АПБ, а на КоА. Основной продукт элонгации в печени - стеариновая кислота. В нервных тканях образуются ЖК с длинной цепью (С=20-24), необходимые для синтеза сфинголипидов.

Синтез ненасыщенных ЖК в десатуразных реакциях

Включение двойных связей в радикалы ЖК называется десатурацией. Десатурация ЖК происходит в ЭПР в монооксигеназных реакциях, катализируемых десатуразами.

Стеароил-КоА-десатураза – интегральный фермент, содержит негеминовое железо. Катализирует образование 1 двойной связи между 9 и 10 атомами углерода в ЖК. Стеароил-КоА-десатураза переносит электроны с цитохрома b 5 на 1 атом кислород, при участии протонов этот кислород образует воду. Второй атом кислорода включается стеариновую кислоту с образованием её оксиацила, который дегидрируется до олеиновой кислоты.

Десатуразы ЖК, имеющиеся в организме человека, не могут образовывать двойные связи в ЖК дистальнее девятого атома углерода, поэтому ЖК семейства ω-3 и ω-6 не синтезируются в организме, являются незаменимыми и обязательно должны поступать с пищей, так как выполняют важные регуляторные функции. Основные ЖК, образующиеся в организме человека в результате десатурации - пальмитоолеиновая и олеиновая.

Синтез α-гидрокси ЖК

В нервной ткани происходит синтез и других ЖК - α-гидроксикислот. Оксидазы со смешанными функциями гидроксилируют С 22 и С 24 кислоты с образованием цереброновой кислоты обнаруживаемой только в липидах мозга.

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.

2.1. Окисление жирных кислот в клетках

Высшие жирные кислоты могут окисляться в клетках тремя путями:

а) путем a-окисления,

б) путем b-окисления,

в) путем w-окисления.

Процессы a- и w-окисления высших жирных кислот идут в микросомах клеток с участием ферментов монооксигеназ и играют в основном пластическую функцию -- в ходе этих процессов идет синтез гидроксикислот, кетокислот и кислот с нечетным числом атомов углерода, необходимых для клеток. Так, в ходе a-окисления жирная кислота может быть укорочена на один атом углерода, превращаясь таким образом в кислоту с нечетным числом атомов"C", в соответствии с приведенной схемой:

2.1.1. b-Окисление высших жирных кислот Основным способом окисления высших жирных кислот, по крайней мере в отношении общего количества окисляющихся в клетке соединений данного класса, является процесс b-окисления, открытый Кноопом еще в 1904 г. Этот процесс можно определить как процесс ступенчатого окислительного расщепления высших жирных кислот, в ходе которого идет последовательное отщепление двухуглеродных фрагментов в виде ацетил-КоА со стороны карбоксильной группы активированной молекулы высшей жирной кислоты.

Поступающие в клетку высшие жирные кислоты подвергаются активации с превращением их в ацил-КоА (R-CO-SKoA), причем активация жирных кислот происходит в цитозоле. Сам же процесс b-окисления жирных кислот идет в матриксе митохондрий. В то же время внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для ацил-КоА, в связи с чем встает вопрос о механизме транспорта ацильных остатков из цитозоля в матрикс митохондрий.

Ацильные остатки переносятся через внутреннюю мембрану митохондрий с помощью специального переносчика, в качестве которого выступает карнитин (КН):

В цитозоле с помощью фермента внешней ацилКоА:карнитинацилтрансферазы (Е1 на ниже приведенной схеме) остаток высшей жирной кислоты переносится с коэнзима А на карнитин с образованием ацилкарнитина:

Ацилкарнитинин при участии специальной карнитин-ацилкарнитин-транслоказной системы проходит через мембрану внутрь митохондрии и в матриксе с помощью фермента внутренней ацил-КоА:карнитин-ацилтрансферазы (Е2) ацильный остаток передается с карнитина на внутримитохондриальный коэнзим А. В результате в матриксе митохондрий появляется активированный остаток жирной кислоты в виде ацил-КоА; высвобожденный карнитин с помощью той же самой транслоказы проходит через мембрану митохондрий в цитозоль, где может включаться в новый цикл переноса. Карнитин-ацилкарнитин-транслоказа, встроенная во внутреннюю мембрану митохондрий, осуществляет перенос молекулы ацилкарнитина внутрь митохондрии в обмен на молекулу карнитина, удаляемую из митохондрии.

Активированная жирная кислота в матриксе митохондрий подвергается ступенчатому циклическому окислению по схеме:

В результате одного цикла b-окисления радикал жирной кислоты укорачивается на 2 атома углерода, а отщепившийся фрагмент выделяется в виде ацетил-КоА. Суммарное уравнение цикла:

В ходе одного цикла b-окисления, например,при превращении стеароил-КоА в пальмитоил-КоА с образованием ацетил-КоА, высвобождается 91 ккал/моль свободной энергии, однако основная часть этой энергии накапливается в виде энергии восстановленных коферментов, потери же энергии в виде теплоты составляют лишь около 8 ккал/моль.

Образовавшийся ацетил-КоА может поступать в цикл Кребса, где он будет окисляться до конечных продуктов или же может использоваться для других нужд клетки, например, для синтеза холестерола. Укороченный на 2 атома углерода ацил-КоА вступает в новый цикл b-окисления. В результате нескольких последовательных циклов окисления вся углеродная цепь активированной жирной кислоты расщепляется до "n" молекул ацетил-КоА, причем значение "n" определяется числом атомов углерода в исходной жирной кислоте.

Энергетический эффект одного цикла b-окисления можно оценить исходя из того, в ходе цикла образуются 1 молекула ФАДН2 и 1 молекула НАДН+Н. При их поступлении в цепь дыхательных ферментов будет синтезироваться 5 молекул АТФ (2 + 3). Если образовавшийся ацетил-КоА будет окислен в цикле Кребса, то клетка получит еще 12 молекул АТФ.

Для стеариновой кислоты суммарное уравнение ее b-окисления имеет вид:

Расчеты показывают, что при окислении стеариновой кислоты в клетке будет синтезироваться 148 молекул АТФ. При расчете энергетического баланса окисления из этого количества нужно исключить 2 макроэргических эквивалента, затрачиваемых при активации жирной кислоты (в ходе активации АТФ расщепляется до АМФ и 2 Н3РО4). Таким образом, при окислении стеариновой кислоты клетка получит 146 молекул АТФ.

Для сравнения: при окислении 3 молекул глюкозы, содержащих также 18 атомов углерода, клетка получает только 114 молекул АТФ, т.е. высшие жирные кислоты являются более выгодным энергетическим топливом для клеток по сравнению с моносахаридами. По-видимому, это обстоятельство является одной из главных причин того, что энергетические резервы организма представлены преимущественно в виде триацилглицеринов, а не гликогена.

Общее количество свободной энергии, выделяющееся при окислении 1 моля стеариновой кислоты составляет около 2632 ккал, из них накапливается в виде энергии макроэргических связей синтезированных молекул АТФ около 1100 ккал.Таким образом, аккумулируется примерно 40% всей выделяющейся свободной энергии.

Скорость b-окисления высших жирных кислот определяется, во-первых, концентрацией жирных кислот в клетке и, во-вторых, активностью внешней ацил-КоА:карнитин-ацилтрансферазы. Активность фермента угнетается малонил-КоА. На смысле последнего регуляторного механизма мы остановимся несколько позднее, когда будем обсуждать координацию процессов окисления и синтеза жирных кислот в клетке.

Оранжевыми миндалинами и аккумуляцией эфиров ХС в других ретикулоэндотелиальных тканях. Патология связана с ускоренным катаболизмом апо А-I . Переваривание и всасывание липидов. Желчь. Значение. На заре формирования современного учения о внешнесекреторной функции печени, когда естествоиспытатели располагали лишь первыми...

Динамика химических превращений, происходящих в клетках, изучается биологической химией. Задачей физиологии является определение общих затрат веществ и энергии организмом и того, как они должны восполняться с помощью полноценного питания. Энергетический обмен служит показателем общего состояния и физиологической активности организма. Единица измерения энергии, обычно применяемая в биологии и...

Кислоты, которые относят к незаменимым жирным кислотам (линолевая, линоленовая, арахидоновая), которые не синтезируются у человека и животных. С жирами в организм поступает комплекс биологически активных веществ: фосфолипиды, стерины. Триацилглицеролы – основная их функция – запасание липидов. Они находятся в цитозоле в виде мелкодисперсных эмульгированных маслянистых капелек. Сложные жиры: ...

... α,d – глюкоза глюкозо – 6 – фосфат С образованием глюкозо – 6 – фосфата пути гликолиза и гликогенолиза совпадают. Глюкозо – 6 – фосфат занимает ключевое место в обмене углеводов. Он вступает в следующие метаболические пути: глюкозо – 6 – фосфат глюкоза + Н3РО4 фруктозо – 6 – фосфат пентозный путь распада (поступает в кровь и др. ...