Биологическая химия - часть 92

ОКИСЛЕНИЕ ЖИРНЫХ КИСЛОТ

Установлено, что окисление жирных кислот протекает в печени, почках,

скелетных и сердечной мышцах, в жировой ткани. В мозговой ткани

скорость окисления жирных кислот весьма незначительна; основным ис-

точником энергии в мозговой ткани служит глюкоза.

В 1904 г. Ф. Кнооп (F. Knoop) выдвинул гипотезу β-окисления жирных

кислот на основании опытов по скармливанию собакам различных жирных

кислот, в которых один атом водорода в концевой метильной группе

(ω-углеродного атома) был замещен радикалом (С

6

Н

5

–).

Ф. Кнооп высказал предположение, что окисление молекулы жирной

кислоты в тканях организма происходит в β-положении. В результате от

молекулы жирной кислоты последовательно отщепляются двууглеродные

фрагменты со стороны карбоксильной группы.

Жирные кислоты, входящие в состав естественных жиров животных

и растений, имеют четное число углеродных атомов. Любая такая кислота,

от которой отщепляется по паре углеродных атомов, в конце концов

проходит через стадию масляной кислоты. После очередного β-окисления

масляная кислота становится ацетоуксусной. Последняя затем гидроли-

зуется до двух молекул уксусной кислоты. Теория β-окисления жирных

кислот, предложенная Ф. Кноопом, в значительной мере послужила ос-

новой современных представлений о механизме окисления жирных кислот.

Доставка жирных кислот к месту их окисления – к митохондриям –

происходит сложным путем: при участии альбумина осуществляется транс-

порт жирной кислоты в клетку; при участии специальных белков (fatty acid

binding proteins, FABP) – транспорт в пределах цитозоля; при участии

карнитина – транспорт жирной кислоты из цитозоля в митохондрии.

Процесс окисления жирных кислот складывается из следующих ос-

новных этапов.

Активация жирных кислот. Свободная жирная кислота независимо от

длины углеводородной цепи является метаболически инертной и не может

подвергаться никаким биохимическим превращениям, в том числе окисле-

нию, пока не будет активирована. Активация жирной кислоты протекает на

наружной поверхности мембраны митохондрий при участии АТФ, коэнзима

A (HS-KoA) и ионов Mg

2+

. Реакция катализируется ферментом ацил-КоА-

синтетазой:

В результате реакции образуется ацил-КоА, являющийся активной

формой жирной кислоты.

Считают, что активация жирной кислоты протекает в 2 этапа. Сначала

жирная кислота реагирует с АТФ с образованием ациладенилата, представ-

ляющим собой эфир жирной кислоты и АМФ. Далее сульфгидрильная

группа КоА действует на прочно связанный с ферментом ациладенилат

с образованием ацил-КоА и АМФ.

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

373

R—COOH + HS-KoA + АТФ

Жирная кислота

Ацил-КоА-синтетаза

R—CO—S-KoA +

+ АМФ + РР

i

.

с длинной цепью через внутреннюю митохондриальную мембрану служит

карнитин. Ацильная группа переносится с атома серы КоА на гидро-

ксильную группу карнитина с образованием ацилкарнитина, который

диффундирует через внутреннюю митохондриальную мембрану:

Реакция протекает при участии специфического цитоплазматического

фермента карнитин-ацилтрансферазы. Уже на той стороне мембраны,

которая обращена к матриксу, ацильная группа переносится обратно на

КоА, что термодинамически выгодно, поскольку О-ацильная связь в кар-

нитине обладает высоким потенциалом переноса группы. Иными словами,

после прохождения ацилкарнитина через мембрану митохондрий проис-

ходит обратная реакция – расщепление ацилкарнитина при участии HS-KoA

и митохондриальной карнитин-ацилтрансферазы:

Внутримитохондриальное окисление жирных кислот. Процесс окисления

жирной кислоты в митохондриях клетки включает несколько последо-

вательных энзиматических реакций.

П е р в а я  с т а д и я  д е г и д р и р о в а н и я . Ацил-КоА в митохондриях

прежде всего подвергается ферментативному дегидрированию, при этом

ацил-КоА теряет 2 атома водорода в α- и β-положениях, превращаясь

в КоА-эфир ненасыщенной кислоты. Таким образом, первой реакцией

в каждом цикле распада ацил-КоА является его окисление ацил-КоА-де-

гидрогеназой, приводящее к образованию еноил-КоА с двойной связью

между С-2 и С-3:

374

Ацил-КоА

Карнитин

Ацилкарнитин (в цитоплазме)

Ацилкарнитин (в митохондрии)

Ацил-КоА

Карнитин

Ацил-КоА

Ацил-КоА-дегидрогеназа

Еноил-КоА

R-CO-S-KoA

+

HS-KoA

+

+

HS-KoA

R-CO-S-КоА

+

+ ФАД

+ ФАДН

2

Существует несколько ФАД-содержащих ацил-КоА-дегидрогеназ, каж-

дая из которых обладает специфичностью по отношению к ацил-КоА

с определенной длиной углеродной цепи.

С т а д и я  г и д р а т а ц и и . Ненасыщенный ацил-КоА (еноил-КоА) при

участии фермента еноил-КоА-гидратазы присоединяет молекулу воды.

В результате образуется β-оксиацил-КоА (или 3-гидроксиацил-КоА):

Заметим, что гидратация еноил-КоА стереоспецифична, подобно гид-

ратации фумарата и аконитата (см. с. 348). В результате гидратации

транс-Δ

2

-двойной связи образуется только L-изомер 3-гидроксиацил-КоА.

В т о р а я  с т а д и я  д е г и д р и р о в а н и я . Образовавшийся β-оксиацил-КоА

(3-гидроксиацил-КоА) затем дегидрируется. Эту реакцию катализируют

НАД

+

-зависимые дегидрогеназы:

Т и о л а з н а я  р е а к ц и я . В ходе предыдущих реакций происходило окис-

ление метиленовой группы при С-3 в оксогруппу. Тиолазная реакция

представляет собой расщепление 3-оксоацил-КоА с помощью тиоловой

группы второй молекулы КоА. В результате образуется укороченный на два

углеродных атома ацил-КоА и двууглеродный фрагмент в виде ацетил-

КоА. Данная реакция катализируется ацетил-КоА-ацилтрансферазой (β-ке-

тотиолазой):

Образовавшийся ацетил-КоА подвергается окислению в цикле трикар-

боновых кислот, 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 окисля-

ется до 2 молекул ацетил-КоА (рис. 11.2). Например, при окислении

пальмитиновой кислоты (С

16

) повторяется 7 циклов β-окисления. Запом-

ним, что при окислении жирной кислоты, содержащей п углеродных

375

Еноил-КоА

Н

2

О

Еноил-КоА-гидратаза

β-Оксиацил-КоА (3-гидроксиацил-КоА)

3-Гидроксиацил-КоА

3-Гидроксиацил-КоА-

дегидрогеназа

3-Оксоацил-КоА

НАД

+

β-Кетоацил-КоА (3-оксоацил-КоА)

HS-KoA

Ацетил-КоА-ацилтрансфераза

Ацил-КоА

Ацетил-КоА

+ НАДН

 + Н

+

+

 СН

3

–СО–S-KoA

R–CH

2

–

CO–S-KoA

Рис. 11.2. Окисление жирной кислоты («спираль Линена»). Подробно представлен

первый цикл окисления - укорочение цепи жирной кислоты на два углеродных

атома. Остальные циклы аналогичны первому (по А.Н. Климову и Н.Г. Никульче-

вой).

1 - ацил-КоА-дегидрогеназа (КФ 1.3.99.3); 2 - еноил-КоА-гидратаза (КФ 4.2.1.17.); 3 - β-гидро-

ксиацил-КоА-дегидрогеназа (КФ 1.1.1.35); 4 - тиолаза (КФ 2.3.1.9).

атомов, происходит n/2–1 цикл β-окисления (т.е. на один цикл меньше, чем

n/2, так как при окислении бутирил-КоА сразу происходит образование

2 молекул ацетил-КоА) и всего получится п/2 молекул ацетил-КоА. Сле-

довательно, суммарное уравнение β-окисления активированной кислоты

можно записать так:

Пальмитоил-КоА + 7ФАД + 7НАД

+

 + 7Н

2

O + 7HS-KoA –>

–

> 8Ацетил-КоА + 7ФАДН

2

 + 7НАДН + 7Н

+

.

Б а л а н с  э н е р г и и . При каждом цикле β-окисления образуются одна

молекула ФАДН

2

 и одна молекула НАДН. Последние в процессе окисления

в дыхательной цепи и сопряженного с ним фосфорилирования дают:

ФАДН

2

 – 2 молекулы АТФ и НАДН – 3 молекулы АТФ, т.е. в сумме за один

цикл образуется 5 молекул АТФ. При окислении пальмитиновой кислоты

образуется 5 х 7 = 35 молекул АТФ. В процессе β-окисления пальмити-

новой кислоты образуется 8 молекул ацетил-КоА, каждая из которых,

«сгорая» в цикле трикарбоновых кислот, дает 12 молекул АТФ, а 8 молекул

ацетил-КоА дадут 12 х 8 = 96 молекул АТФ.

Таким образом, всего при полном β-окислении пальмитиновой кислоты

образуется 35 + 96 = 131 молекула АТФ. С учетом одной молекулы АТФ,

потраченной в самом начале на образование активной формы пальми-

тиновой кислоты (пальмитоил-КоА), общий энергетический выход при

полном окислении одной молекулы пальмитиновой кислоты в условиях

животного организма составит 131 – 1 = 130 молекул АТФ. Изменение

свободной энергии ΔF при полном сгорании 1 моля пальмитиновой

376

ЖК с длинной

цепью

+ АТФ

АМФ

 + PP

i

+ КоА

Ацил-КоА

Ацетил-КоА

КоА

β-Кетоацил-КоА

НАДН+Н

+

НАД

+

Ацил-КоА,

укороченный на С

2

ФАД

ФАДН

2

α,β-Ненасыщен-

ный ацил-КоА

Н

2

O

β-Гидроксиацил-КоА