Для преобразования энергии, заключенной в жирных кислотах, в энергию связей АТФ существует метаболический путь окисления жирных кислот до СО 2 и воды, тесно связанный с циклом трикарбоновых кислот и дыхательной цепью. Этот путь называется β-окисление , т.к. 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.

Элементарная схема β-окисления

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

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-SКоА. Ацил-SКоА является высокоэнергетическим соединением. Необратимость реакции достигается гидролизом дифосфата на две молекулы фосфорной кислоты.

Ацил-SКоА-синтетазы находятся в эндоплазматическом ретикулуме, на наружной мембране митохондрий и внутри них. Существует широкий ряд синтетаз, специфичных к разным жирным кислотам.

Реакция активации жирной кислоты

2. Ацил-SКоА не способен проходить через митохондриальную мембрану, поэтому существует способ его переноса в комплексе с витаминоподобным веществом карнитином (витамин В11). На наружной мембране митохондрий имеется фермент карнитин-ацилтрансфераза I .

Карнитин-зависимый транспорт жирных кислот в митохондрию

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 ".

Дети раннего возраста, недоношенные и дети с малой массой особенно чувствительны к недостаточности карнитина. Эндогенные запасы у них быстро истощаются при различных стрессовых ситуациях (инфекционные заболевания, желудочно-кишечные расстройства, нарушения вскармливания). Биосинтез карнитина недостаточен, а поступление с обычными пищевыми продуктами неспособно поддержать достаточный уровень в крови и тканях.

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

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.

Последовательность реакций β-окисления жирных кислот

Расчет энергетического баланса β-окисления

Ранее при расчете эффективности окисления коэффициент P/O для НАДH принимался равным 3,0, для ФАДH 2 – 2,0.

По современным данным значение коэффициента P/O для НАДH соответствует 2,5, для ФАДH 2 – 1,5.

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 недополученных 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

1. 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 (7,5 АТФ), 1 молекула ФАДН 2 (1,5 АТФ) и 1 молекула ГТФ, что эквивалентно 10 молекулам АТФ. Итак, 8 молекул ацетил-SКоА обеспечат образование 8×10=80 молекул АТФ.
2. Для пальмитиновой кислоты число циклов β-окисления равно 7 . В каждом цикле образуется 1 молекула ФАДН 2 (1,5 АТФ) и 1 молекула НАДН (2,5 АТФ). Поступая в дыхательную цепь, в сумме они "дадут" 4 молекулы АТФ. Таким образом, в 7 циклах образуется 7×4=28 молекул АТФ.
3. Двойных связей в пальмитиновой кислоте нет .
4. На активацию жирной кислоты идет 1 молекула АТФ, которая, однако, гидролизуется до АМФ, то есть тратятся 2 макроэргические связи или две АТФ .
5. Таким образом, суммируя, получаем 80+28-2 =106 молекул АТФ образуется при окислении пальмитиновой кислоты.

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

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

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

Окисление высших жирных кислот.

Источники ВЖК:

Липиды жировой ткани

Липопротеины

Триацилглицерины

Фосфолипиды клеточных биомембран

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

Процесс бета-окисления ВЖК складывается из следующих этапов:

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

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

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

рис. Окисление высших жирных кислот

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

рис. Последняя стадия окисления высших жирных кислот

ОКИСЛЕНИЕ ВЖК, ИМЕЮЩИХ НЕЧЕТНОЕ КОЛИЧЕСТВО УГЛЕРОДНЫХ ЗВЕНЬЕВ В ЦЕПИ

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

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

Молекула жирной кислоты расщепляется в митохондрии путем постепенного отщепления двууглеродных фрагментов в виде ацетилкоэнзима А (ацетил-КоА).
Обратите внимание, что первый этап бета-окисления представляет собой взаимодействие молекулы жирной кислоты с коэнзимом А (КоА) с образованием ацил-КоА жирной кислоты. В уравнениях 2, 3 и 4 бета-углерод (второй углерод справа) ацил-КоА жирной кислоты взаимодействует с молекулой кислорода, вследствие этого бета-углерод окисляется.

В правой части уравнения 5 двууглеродная часть молекулы отщепляется, образуя ацетил-КоА, выделяющийся во внеклеточную жидкость. В то же время другая молекула КоА взаимодействует с концом оставшейся части молекулы жирной кислоты, вновь формируя ацил-КоА жирной кислоты. Сама молекула жирной кислоты в это время становится короче на 2 атома углерода, т.к. первый ацетил-КоА уже отделился от ее терминали.

Затем эта укоротившаяся молекула ацил-КоА жирной кислоты выделяет еще 1 молекулу ацетил-КоА, что приводит к укорочению исходной молекулы жирной кислоты еще на 2 атома углерода. Кроме высвобождения молекул ацетил-КоА из молекул жирных кислот в ходе этого процесса выделяются 4 атома углерода.

Окисление ацетил-КоА . Образующиеся в митохондриях в ходе процесса бета-окисления жирных кислот молекулы ацетил-КоА немедленно поступают в цикл лимонной кислоты и, взаимодействуя прежде всего с щавелево-уксусной кислотой, образуют лимонную кислоту, которая затем последовательно окисляется посредством хемоосмотическои. системы окисления митохондрий. Чистый выход реакции цикла лимонной кислоты на 1 молекулу аце-тил-КоА составляет:
СН3СОСоА + Щавелево-уксусная кислота + 2Н20 + АДФ=> 2С02 + 8Н + НСоА + АТФ + Щавелево-уксусная кислота.

Таким образом, после начального расщепления жирной кислоты с образованием ацетил-КоА окончательное их расщепление осуществляется так же, как расщепление ацетил-КоА, образовавшегося из пировиноградной кислоты в процессе метаболизма глюкозы. Образующиеся при этом атомы водорода окисляются той же системой окисления митохондрий, которая используется в процессе окисления углеводов, с образованием большого количества аденозинтрифосфата.

При окислении жирных кислот образуется огромное количество АТФ. На рисунке показано, что 4 атома водорода, высвобождающиеся при отделении ацетил-КоА от цепочки жирной кислоты, выделяются в виде ФАДН2, НАД-Н и Н+, поэтому при расщеплении 1 молекулы стеариновой кислоты образуется, кроме 9 молекул ацетил-КоА, еще 32 атома водорода. В процессе расщепления каждой из 9 молекул ацетил-КоА в цикле лимонной кислоты выделяются еще 8 атомов водорода, что в итоге дает 72 атома водорода.

Суммарно при расщеплении 1 молекулы стеариновой кислоты выделяются 104 атома водорода. Из этого общего количества 34 атома выделяются, будучи связанными с флавопротеинами, а остальные 70 высвобождаются в форме, связанной с никотинамидадениндинуклеотидом, т.е. в виде НАД-Н+ и Н+.

Окисление водорода , связанного с этими двумя типами веществ, осуществляется в митохондриях, но они вступают в процесс окисления в разных точках, поэтому окисление каждого из 34 атомов водорода, связанных с флавопротеинами, приводит к выделению 1 молекулы АТФ. Еще 1,5 молекулы АТФ синтезируется из каждых 70 НАД+ и Н+. Это дает к 34 еще 105 молекул АТФ (т.е. всего 139) при окислении водорода, отщепляющегося при окислении каждой молекулы стеариновой кислоты.

Дополнительно 9 молекул АТФ образуются в цикле лимонной кислоты (помимо АТФ, получаемой при окислении водорода), по 1 на каждую из 9 молекул метаболизирующегося ацетил-КоА. Итак, при полном окислении 1 молекулы стеариновой кислоты образуются в сумме 148 молекул АТФ. С учетом того, что при взаимодействии стеариновой кислоты с КоА на начальной стадии метаболизма этой жирной кислоты расходуются 2 молекулы АТФ, чистый выход АТФ составляет 146 молекул.

Вернуться в оглавление раздела " "

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.

«Свободными жирными кислотами» (СЖК) называют жирные кислоты, находящиеся в неэстерифицированной форме; иногда их называют неэстерифицированными жирными кислотами (НЖК). В плазме крови длинноцепочечные СЖК образуют комплекс с альбумином, а в клетке - с белком, связывающим жирные кислоты, который называют Z-белком; фактически они никогда не бывают свободными. Короткоцепочечные жирные кислоты лучше растворяются в воде и находятся либо в виде неионизированной кислоты, либо в виде аниона жирной кислоты.

Активация жирных кислот

Так же как и в случае метаболизма глюкозы, жирная кислота прежде всего должна превратиться в активное производное в результате реакции, протекающей с участием АТР, и только после этого она способна взаимодействовать с ферментами, катализирующими дальнейшее превращение. В процессе окисления жирных кислот эта стадия является единственной, требующей энергии в виде АТР. В присутствии АТР и кофермента А фермент ацил-СоА-синтетаза (тиокиназа) катализирует превращение свободной жирной кислоты в «активную жирную кислоту» или ацил-СоА, которое осуществляется за счет расщепления одной богатой энергией фосфатной связи.

Присутствие неорганической пирофосфатазы, которая расщепляет богатую энергией фосфатную связь в пирофосфате, обеспечивает полноту протекания процесса активации. Таким образом, для активации одной молекулы жирной кислоты в итоге расходуются две богатые энергией фосфатные связи.

Ацил-СоА-синтетазы находятся в эндоплазмати-ческом ретикулуме, а также внутри митохондрий и на их наружной мембране. В литературе описан ряд ацил-СоА-синтетаз; они специфичны к жирным кислотам с определенной длиной цепи.

Роль карнитина в окислении жирных кислот

Карнитин является широко распространенным соединением,

особенно много его в мышцах. Он образуется из лизина и метионина в печени и почках. Активация низших жирных кислот и их окисление могут происходить в митохондриях независимо от карнитина, однако длинноцепочечные ацил-СоА-производные (или СЖК) не могут проникать в митохондрии и окисляться, если предварительно не образуют ацилкарнитин-производных. На наружной стороне внутренней мембраны митохондрий имеется фермент карнитин-пальмитоилтрансфераза I, который переносит длинноцепочечные ацильные группы на карнитин с образованием ацилкарнитина; последний способен проникать в митохондрии, где находятся ферменты, катализирующие процесс (-окисления.

Возможный механизм, объясняющий участие карнитина в окислении жирных кислот в митохондриях, приведен на рис. 23.1. Кроме того, в митохондриях находится другой фермент - карнитин-ацетилтрансфераза, который катализирует перенос короткоцепочечных ацильных групп между СоА и карнитином. Функция этого фермента пока не ясна.

Рис. 23.1. Роль карнитина в переносе длинноцепочечных жирных кислот через внутреннюю мембрану митохондрий. Длиннопепочечный ацил-СоА не способен проходить через внутреннюю мембрану митохондрий, в то время как такой способностью обладает ацилкарнитин, образую цийся при Действии карнитин-пальмитонлтрансферазы I. Карнитин-ацилкарнитин-фанслоказа является транспортной системой. осуществляющей перенос молекулы ацилкарнитина через внутреннюю мембрану митохондрии, сопряженный с выходом мопскулы свободного карнитина. Затем при действии карнитин-пальмитоилтрансферазы 11, локализованной на внутренней поверхности внутренней мембраны митохондрии, ацилкарнитин взаимодействует с СоА. В результате в митохондриальном матриксе вновь образуется ацил-СоА. а карнитин высвобождается.

Возможно,

он облегчает транспорт ацетильных групп через мембрану митохондрий.

b-Окисление жирных кислот

Общее представление дает рис. 23.2. При 13-окислении жирных кислот 2 атома углерода одновременно отщепляются от карбоксильного конца молекулы ацил-СоА. Углеродная цепь разрывается

Рис. 23.2. Схема -окисления жирных кислот.

между атомами углерода в положениях , откуда и возникло название -окисление. Образующиеся двухуглеродные фрагменты представляют собой ацетил-СоА. Так, в случае пальмитоил-СоА образуется 8 молекул ацетил-СоА.

Последовательность реакций

Ряд ферментов, известных под общим названием «оксидазы жирных кислот», находятся в митохондриальном матриксе в непосредственной близости от дыхательной цепи, локализованной во внутренней мембране митохондрий. Эта система катализирует окисление ацил-СоА до ацетил-СоА, которое сопряжено с фосфорилированием ADP до АТР (рис. 23.3).

После проникновения ацильного фрагмента через мембрану митохондрий при участии карнитиновой транспортной системы и переноса ацильной группы от карнитина на происходит отщепление двух атомов водорода от углеродных атомов в положениях катализируемое ацил-СоА-дегидрогеназои. Продуктом этой реакции является . Фермент представляет собой флавопротеин, его простетической группой служит FAD. Окисление последнего в дыхательной цепи митохондрий происходит при участии другого флавопротеина. названного электронпереносящим флавопротеином [см. с. 123). Далее происходит гидратация двойной связи, в результате чего образуется 3-гидроксиацил-СоА. Эта реакция катализируется ферментом А2-еноил-СоА-гидратазой. Затем 3-гидроксиацил-ОоА дегидрируется по 3-му атому углерода с образованием 3-кетоацил-СоА; эта реакция катализируется 3-гидроксиацил-СоА-дегидрогеназой при,участии в качестве кофермента NAD. 3-Кетоацил-СоА расщепляется между вторым и третьим атомами углерода 3-кетотиолазой или ацетил-СоА-ацнлтрансферазой с образованием ацетил-СоА- и ацил-СоА-производного, которое на 2 атома углерода короче исходной молекулы ацил-СоА. Это тиолитическое расщепление требует участия еще одной молекулы Образующийся укороченный ацил-СоА вновь вступает в цикл Р-окисления, начиная с реакции 2 (рис. 23.3). Таким путем длинноцепочечные жирные кислоты могут полностью расщепляться до ацетил-СоА (С2-фрагментов); последние в цикле лимонной кислоты, который протекает в митохондриях, окисляются до

Окисление жирных кислот с нечетным числом атомов углерода

b-Окисление жирных кислот с нечетным числом атомов углерода заканчивается на стадии образования трехуглеродного фрагмента - пропионил-СоА, который затем превращается в являющийся интермедиатом цикла лимонной кислоты (см. также рис. 20.2).

Энергетика процесса окисления жирных кислот

В результате переноса электронов по дыхательной цепи от восстановленного флавопротеина и NAD синтезируется по 5 богатых энергией фосфатных связей (см. гл. 13) на каждые 7 (из 8) молекул ацетил-СоА, образующихся при b-окислении пальмитиновой кислоты Всего образуется 8 молекул ацетил-СоА, и каждая из них, проходя через цикл лимонной кислоты, обеспечивает синтез 12 богатых энергией связей. Всего в расчете на молекулу пальмитата по этому пути генерируется 8 х 12 = 96 богатых энергией фосфатных связей. Если учесть две связи, необходимые для активации

(см. скан)

Рис. 23.3. Р Окисление жирных кислот. Длинноцепочечный ацит СоА последовательно укорачивается, проходя цикт за циклом ферментативные реакции 2-5; в результате каждого цикла происходит отщепление ацетил-СоА, катализируемое тиолазой (реакция 5). Когда остается четырехуглеродный ацильный радикал, то из него в результате реакции 5 образуются две молекулы ацетил-СоА.

жирной кислоты, то в общей сложности получим 129 богатых энергией связей на 1 моль или кДж. Поскольку свободная энергия сгорания пальмитиновой кислоты составляет то на долю энергии, запасаемой в виде фосфатных связей при окислении жирной кислоты, приходится около 40%.

Окисление жирных кислот в пероксисомах

В пероксисомах -окисление жирных кислот происходит в модифицированном виде. Продуктами окисления в данном случае являются ацетил-СоА и , последняя образуется на стадии, катализируемой связанной с флавопротеином дегидрогеназой. Этот путь окисления непосредственно не сопряжен с фосфорилированием и образованием АТР, но он обеспечивает расщепление жирных кислот с очень длинной цепью (например, ); он включается при диете, богатой жирами, или приеме гиполипидемических лекарственных препаратов, таких, как клофибрат. Ферменты пероксисом не атакуют жирные кислоты с короткими цепями, и процесс Р-окисления останавливается при образовании октаноил-СоА. Октаноильные и ацетильные группы удаляются затем из пероксисом в виде октаноилкарнитина и ацетилкарнитина и окисляются в митохондриях.

а- и b-Окисление жирных кислот

Окисление является основным путем катаболизма жирных кислот. Однако недавно было обнаружено, что в тканях мозга происходит -окисление жирных кислот, т. е. последовательное отщепление одноуглеродных фрагментов от карбоксильного конца молекулы. В этом процессе участвуют интермедиаты, содержащие он не сопровождается образованием богатых энергией фосфатных связей.

Окисление жирных кислот в норме весьма незначительно. Этот тип окисления, катализируемый гидроксилазами при участии цитохрома с. 123), протекает в эндоплазматическом -Группа превращается в --группу, которая затем окисляется до -СООН; в результате образуется дикарбоновая кислота. Последняя расщепляется путем Р-окисления обычно до адипиновой и субериновой кислот, которые затем удаляются с мочой.

Клинические аспекты

Кетоз развивается при высокой скорости окисления жирных кислот в печени, особенно в тех случаях, когда оно происходит на фоне недостатка углеводов (см. с. 292). Подобное состояние возникает при приеме пищи, богатой жирами, голодании, сахарном диабете, кетозе у лактирующих коров и токсикозе беременности (кетозе) у овец. Ниже приводятся причины, вызывающие нарушение процесса окисления жирных кислот.

Недостаток карнитина встречается у новорожденных, чаще всего недоношенных детей; он обусловлен либо нарушением биосинтеза карнитина; либо его «утечкой» в почках. Потери карнитина могут происходить при гемодиализе; больные, страдающие органической ацидурией, теряют большое количество карнитина, который экскретируется из организма в форме конъюгатов с органическими кислотами. Для восполнения потерь этого соединения некоторые пациенты нуждаются в особой диете, включающей продукты, содержащие карнитин. Признаками и симптомами недостатка карнитина являются приступы гипогликемии, возникающие из-за снижения глюконеогенеза в результате нарушения процесса - окисления жирных кислот, уменьшение образования кетоновых тел, сопровождающееся повышением содержания СЖК в плазме крови, мышечная слабость (миастения), а также накопление липидов. При лечении внутрь принимают препарат карнитина. Симптомы недостатка карнитина очень сходны с симптомами синдрома Рейе (Reye), при котором, однако, содержание карнитина является нормальным. Причина синдрома Рейе пока неизвестна.

Снижение активности карнитинпальмитоилтрансферазы печени приводит к гипогликемии и понижению содержания кетоновых тел в плазме крови, а снижение активности карнитин-пальмитоилтраисферазы мышц - к нарушению процесса окисления жирных кислот, в результате чего периодически возникает мышечная слабость и развивается миоглобинурия.

Ямайская рвотная болезнь возникает у людей после употребления в пищу незрелых плодов аки (Blig-hia sapida), которые содержат токсин гипоглицнн, инактивирующий ацил-СоА-дегидрогеназу, в результате чего ингибируется процесс -окисления.