Окислення жирних кислот
Окислення жирних кислот
Кнооп в 1904 р висунув гіпотезу β-окислення жирних кислот на підставі дослідів по згодовування кроликам різних жирних кислот, в яких один атом водню в кінцевій метальних групі (у ω-вуглецевого атома) був заміщений фенільного радикалом (С6 Н5 -).
Кнооп висловив припущення, що окислення молекули жирної кислоти в тканинах організму відбувається в β-положенні; в результаті відбувається послідовне відсікання від молекули жирної кислоти двууглеродних фрагментів з боку карбоксильної групи.
Жирні кислоти, що входять до складу природних жирів тварин і рослин, належать до ряду з парним числом вуглецевих атомів. Будь-яка така кислота, отщепляя по парі вуглецевих атомів, в кінці кінців проходить через стадію масляної кислоти, яка після чергового β-окислення повинна дати ацетоуксусную кислоту. Остання потім гідролізується до двох молекул оцтової кислоти.
Теорія β-окислення жирних кислот, запропонована Кнооп, що не втратила свого значення і до теперішнього часу і є в значній мірі основою сучасних уявлень про механізм окислення жирних кислот.
Сучасні уявлення про окисленні жирних кислот
Ендергонічеськие реакціями називають процеси, що протікають з підвищенням вільної енергії системи, що вимагають для свого здійснення припливу енергії ззовні.
Встановлено, що окислення жирних кислот в клітинах відбувається в мітохондріях за участю мультиферментного комплексу. Відомо також, що жирні кислоти спочатку активуються за участю АТФ і HS-KoA; субстратами на всіх наступних стадіях ферментативного окислення жирних кислот служать КоА-ефіри цих кислот; з'ясована також роль карнітину в транспорті жирних кислот з цитоплазми в мітохондрії.
Процес окислення жирних кислот складається з наступних основних етапів.
Активація жирних кислот і їх проникнення з цитоплазми в мітохондрії. Освіта "активної форми" жирної кислоти (ацил-КоА) з коензиму А і жирної кислоти є ендергонічеськие порцессом протікає за рахунок використання енергії АТФ:
Реакція каталізується ацил-КоА-синтетазой. Існує кілька таких ферментів: один з них каталізує активацію жирних кислот, що містять від 2 до 3 вуглецевих атомів, інший від 4 до 12 атомів, третій - від 12 і більше атомів вуглецю.
Як уже зазначалося, окислення жирних кислот (ацил-КоА) відбувається в мітохондріях. В останні роки було показано, що здатність ацил-КоА проникати з цитоплазми в мітохондрії різко зростає в присутності азотної основи - карнітину (γ-триметиламіну-β-гидроксибутирата). Ацил-КоА, з'єднуючись з карнітином, за участю специфічного цитоплазматического ферменту (карнітин-ацил-КоА-трансферази) утворює ацилкарнітину (ефір карнітину і жирної кислоти), який має здатність проникати всередину мітохондрії:
Після проходження ацилкарнітину через мембрану мітохондрії відбувається зворотна реакція - розщеплення ацилкарнітину за участю HS-KoA і мітохондріальної карнітин-ацил-КоА-трансферази:
При цьому карнітин повертається в цитоплазму клітини, а ацил-КоА піддається в мітохондріях окислення.
Перша стадія дегідрірованія. Ацил-КоА в мітохондріях насамперед піддається ферментативному дегидрированию;
при цьому ацил-КоА втрачає два атоми водню в α- і β-положенні, перетворюючись в коа-ефір ненасиченої кислоти:
Мабуть, існує кілька ФАД-містять ацил-КоА-дегідрогеназ, кожна з яких має специфічністю по відношенню до ацил-КоА з певною довжиною вуглецевого ланцюга.
Стадія гідратації. Ненасичений ацил-КоА (еноіл-КоА) за участю ферменту еноіл-КоА-гідратази приєднує молекулу води. В результаті утворюється β-гідроксіаціл-КоА:
Друга стадія дегідрірованія. Утворився β-гідроксіаціл-КоА потім дегидрирующей. Цю реакцію каталізують НАД-залежні дегідрогенази. Реакція протікає по наступному рівнянню:
Тіолазная реакція. У цій реакції β-кетоацил-КоА взаємодіє з коензимом А. В результаті відбувається розщеплення β-кетоацил-КоА і утворюється укорочений на два вуглецевих атома ацил-КоА і двууглеродного фрагмент у вигляді ацетил-КоА. Дана реакція каталізується ацетил-КоА-ацілтрансфе-Разой (або тіолазу):
Утворився ацетил-КоА піддається окисленню в циклі трикарбонових кислот (циклі Кребса), а ацил-КоА, вкоротити на два вуглецевих атома, знову багаторазово проходить весь шлях β-окислення аж до утворення бутіріл-КоА (4-вуглецеве з'єднання), який в свою чергу окислюється до двох молекул ацетил-КоА (див. схему).
Наприклад, в разі пальмітинової кислоти (С16) повторюються 7 циклів окислення. Запам'ятаємо, що при окисленні жирної кислоти, що містить n вуглецевих атомів, відбувається n / 2 - 1 циклів β-окислення (т. Е. На один цикл менше, ніж n / 2. Так як при окисленні бутіріл-КоА відразу відбувається утворення двох молекул ацетил-КоА) і всього вийде n / 2 молекул ацетил-КоА.
Отже, сумарне рівняння р-окислення пальмітинової кислоти можна написати так:
Пальмітоіл-КоА + 7 ФАД + 7 НАД + 7Н2 O + 7HS-KoA -> 8 Ацетил - КоА + 7 ФАДН2 + 7 НАДН2.
Баланс енергії. При кожному циклі β-окислення утворюються 1 молекула ФАДН2 і 1 молекула НАДН2. Останні в процесі окислення в дихальному ланцюгу і сполученого з ним фосфорилювання дають: ФАДН2 - дві молекули АТФ і НАДН2 - три молекули АТФ. т. е. в сумі за один цикл утворюється 5 молекул АТФ. У разі окислення пальмітинової кислоти проходить 7 циклів β-окислення (16/2 - 1 = 7), що веде до утворення 5X7 = 35 молекул АТФ. В процесі β-окислення пальмітинової кислоти утворюється - молекул ацетил-КоА, кожна з яких, згораючи в циклі трикарбонових кислот, дає 12 молекул АТФ. а 8 молекул дадуть 12X8 = 96 молекул АТФ.
Таким чином, всього за повному окисленні пальмітинової кислоти утворюється 35 + 96 = 131 молекула АТФ. Однак з урахуванням однієї молекули АТФ, витраченої на самому початку на утворення активної форми пальмітинової кислоти (пальмитоил-КоА), загальний енергетичний вихід при повному окисленні однієї молекули пальмітинової кислоти в умовах тваринного організму складе 131-1 = 130 молекул АТФ (зауважимо, що при повному окисленні однієї молекули глюкози утворюється лише 36 молекул АТФ).
Підраховано, що якщо зміна вільної енергії системи (δG) при повному згорянні однієї молекули пальмітинової кислоти становить 9797 кДж, а багата енергією кінцева фосфатна зв'язок АТФ характеризується величиною близько 34,5 кДж, то виходить, що приблизно 45% всієї потенційної енергії пальмітинової кислоти при її окисленні в організмі може бути використано для ресинтезу АТФ, а частина, що залишилася, мабуть, втрачається у вигляді тепла.
Окислення ненасичених жирних кислот
Окислення ненасичених жирних кислот в принципі відбувається так само, як і окислення насичених жирних кислот. Однак тут є деякі особливості. Подвійні зв'язку природних ненасичених жирних кислот (олеїнової, лінолевої і т. Д.) Мають цис-конфігурацію, а в коа-ефірах ненасичених кислот, що є проміжними продуктами при β-окисленні насичених жирних кислот, подвійні зв'язку мають транс-конфігурацію. Крім того, послідовне видалення двууглеродних фрагментів при окисленні ненасичених жирних кислот до першої подвійного зв'язку дає δ 3,4 -аціл-КоА, а не δ 2,3 -аціл-КоА, який є проміжним продуктом при β-окисленні насичених жирних кислот:
Виявилося, що в тканинах існує фермент, який здійснює переміщення подвійного зв'язку зі становища 3-4 в положення 2-3, а також змінює конфігурацію подвійного зв'язку з цис- в транс-. Цей фермент отримав назву δ 3,4 -ціс-δ 2,3 -трансеноіл-КоА-ізомерази. Нижче наводиться шлях окислення олеїнової кислоти, що ілюструє призначення додаткового ферменту. При окисленні жирних кислот, що мають дві і більше ненасичені зв'язку, потрібно ще один додатковий фермент β-гідроксіаціл-КоА-епімерази.