Окисление жирных кислот

Окислительное расщепление жирных кислот – универсальный процесс, протекающий во всех видах живых организмов. У млекопитающих окисление жирных кислот с энергетической целью происходит в печени, почках, скелетной и сердечной мышцах. Окисление жирных кислот происходит в митохондриях. В мозге, эритроцитах и мозговом слое надпочечников жирные кислоты не окисляются. В клетке окисление жирных кислот локализовано в матриксе митохондрий.

Первые предположения о путях окисления жирных кислот высказал Ф.Кнооп еще в 1904 г., выдвинув свою гипотезу «β-окисления», в соответствии с которой происходит последовательное отщепление двухуглеродных фрагментов с карбоксильного конца молекулы.

Процесс окисления условно делят на 3 этапа: 1) активация жирных кислот в цитозоле и их транспорт в митохондрии; 2) сам процесс; 3) окисление образующегося ацетил-КоА в ЦТК.

Активация жирной кислоты происходит в цитозоле под действием ферментов ацил-КоА-синтетаз (тиокиназ). Известен ряд тиокиназ, специфичных к жирным кислотам с разной длиной углеводородной цепи. Эти ферменты в клетках прокариот прикреплены к клеточной мембране. У эукариот – к внешней мембране митохондрий.

 

 

Реакция протекает в 2 этапа и требует АТФ, HS-КоА и Mg²⁺. Вначале жирная кислота взаимодействует в АТФ с образованием ациладенилата, который затем реагирует с HS-КоА. Для активации используется энергия 2-х макроэргических связей, т.к. АТФ превращается в пирофосфат, который гидролизуется пирофосфатазой до неорганического фосфата.

Образованный ацил-КоА переносится через мембрану митохондрий с помощью карнитина (b-гидрокси-g-триметиламиномасляная кислота) и ферментов, локализованных в цитозоле и митохондриях - карнитинацил-трансфераз. В цитозоле образуется ацил-карни­тин, который способен транспортироваться через мембрану митохондрий. В митохондриях происходит обратный процесс под действием митохондриальной карнитин-ацилтрансферазы и ацил-КоА освобождается.

Окисление жирной кислоты: в результате каждого цикла β-окисления, включающего 4 реакции, происходит высвобождение ацетил-КоА и жирная кислота укорачивается на 2 углеродных атома.

1. Дегидрирование. Ацил-КоА подвергается дегидрированию под действием фермента ацил-КоА-дегидрогеназы, содержащей в качестве простетической группы ФАД. Образуется двойная связь между α и β углеродными атомами. Фермент обладает стереоспецифичностью, поэтому в результате этой реакции образуется только транс -изомер.

2. Гидратация. Еноил-КоА-гидратаза присоединяет молекулу воды и образуется L-β-гидроксиацил-КоА.

3. Дегидрирование. β-гидроксиацил-КоА-дегидрогеназа (НАД-зависимая дегидрогеназа) катализирует второе окисление. Образуется β-кетоацил-КоА и НАДН.

4. Конечной реакцией β-окисления является высвобождение ацетил-КоА из ацил-КоА. Катализируется ферментом тиолазой.

 

Ацетил-КоА вступает в ЦТК: Ацетил-КоА + ЩУК®ЦТК (12 АТФ). А укороченный ацил-КоА вновь вступает в следующий цикл b-окисления.

[5 (n/2 - 1) + n/2 × 12] - 2

Катаболизм жирных кислот обеспечивает продукцию энергии. Расчет выделяемой энергии вели по формуле:

 

 

где: 5 - число молекул АТФ, образуемое при одном акте b-окисления; n - число атомов углерода в жирной кислоте; n/2-1 - число актов b-окисления; n/2 - число молекул ацетил-КоА; 12 - число молекул АТФ при полном окислении одной молекулы ацетил-КоА; - 2 – количество высокоэнергетических фосфатов, используемых на активацию жирной кислоты (при активации АТФ распадается на АМФ и пирофосфат)..

Учитывая смену представлений об энергетическом выражении НАДН – 2,5 АТФ и ФАДН₂ – 1,5 АТФ расчетная формула видоизменяется:

[4 (n/2 - 1) + n/2∙10] - 2

Ненасыщенные жирные кислоты до места двойной связи окисляются так же, как насыщенные. Однако двойные связи природных ненасыщенных жирных кислот имеют цис -конфигурацию, а в КоА-эфирах жирных кислот, являющихся промежуточными продуктами при β-окислении насыщенных жирных кислот, двойные связи имеют транс -конфигурацию. Кроме того, последовательное удаление двухуглеродных фрагментов при окислении ненасыщенных жирных кислот до первой двойной связи дает D^3,4-ацил-КоА, а не D^2,3-ацил-КоА, который является промежуточным продуктом β-окисления насыщенных жирных кислот.

В организме имеется фермент, который, во-первых, осуществляет перемещение двойной связи из положение 3-4 в положение 2-3 и, во-вторых, изменяет конфигурацию двойной связи из цис - в транс -, т.е. катализирует реакцию двойной изомеризации: D^3,4- цис, D^2,3- транс -еноил-КоА-изомераза. Далее процесс идет обычным путем.

Скорость окисления ненасыщенных жирных кислот выше, чем насыщенных.

При окислении жирных кислот с нечетным числом углеродных атомов образу­ется не ацетил-КоА, а пропионил-КоА, который превращается в сукцинил-КоА:

При регуляции окисления первостепенное значение имеет доступность жирных кислот. Поступление жирных кислот определяется содержанием жиров в пище и скоростью липолиза эндогенных липидов. Вторым контролирующим фактором является уровень запаса энергии в клетке: b-окисление жирных кислот активируется АДФ и ингибируется АТФ.