содержание .. 19 20 21 22 ..
КАТАБОЛИЗМ ЖИРНЫХ КИСЛОТ (ДИНАМИЧЕСКАЯ БИОХИМИЯ)
Свободные жирные кислоты образуются при расщеплении экзогенных и эндогенных липидов. Последние чаще всего представлены триацилглицеролами, которые откладываются в клетках в качестве резервного источника энергии и углерода. Кроме того, клетки используют и полярные липиды мембран, метаболическое обновление которых происходит постоянно. Свободные жирные кислоты, образующиеся в процессе липолиза, могут реутилизироваться в ходе анаболических процессов или подвергаться дальнейшему расщеплению. Большинство аэробных клеток способны к полному окислению жирных кислот до углекислого газа и воды.
Катаболизм жирных кислот в живых организмах протекает в три стадии: 1) β-окисление ‒ специфический путь окисления свободных жирных кислот, заканчивающийся образованием ацетил-СоА; 2) цикл лимонной кислоты, в котором осуществляется расщепление ацетильных остатков, образовавшихся при β-окислении ЖК; 3) окислительное фосфорилирование в дыхательной цепи с образованием АТР за счет энергии NADH и FADН2 (рис.22.1).
Рис.22.1. Три этапа β-окисления пальмитиновой кислоты
В начале 20 века Ф. Кнооп установил, что процесс расщепления жирных кислот происходит путем последовательного отщепления двууглеродных фрагментов (СН3СОО‒), начиная с карбоксильного конца молекулы.
Ф. Кнооп назвал этот процесс β-окислением, чтобы подчеркнуть, что каждый раз перед расщеплением связи Сα-Сβ происходит окисление β-углеродного атома. Химизм этого процесса с детальным описанием отдельных стадий и ферментов был изучен спустя примерно 50 лет после открытия Ф. Кноопа в работах А. Ленинджера, Ф. Линена, Ю. Кеннеди.
β-окисление ‒ основной путь катаболизма жирных кислот, менее значимым является α-окисление и ω-окисление. Прежде чем вступить на путь окисления, жирная кислота должна быть активирована.
Активация жирной кислоты
Свободные ЖК превращаются в тиоэфиры коэнзима А (НSCoA) – активированную, высокоэнергетическую форму. В процессе активации принимает участие ацил-СоА-синтетаза, использующая молекулу АТР для образования продукта реакции с макроэргической ацилтиоэфирной связью. Известно три типа ацил-СоА-синтатез, характеризующихся различной субстратной специфичностью. Одна из них проявляет высокую специфичность в отношении ацетата (двууглеродного соединения ‒ С2), другая ‒ к жирным кислотам со средней длиной цепи (С4-С12), третья специфична к жирным кислотам с большой длиной цепи (С14-С22). Два последних фермента участвуют в катаболизме как насыщенных, так и ненасыщенных жирных кислот. У прокариот ацил-СоА-синтетазы являются отдельными ферментами, присоединенными к плазматической мембране. У эукариот эти ферменты находятся во внешней мембране митохондрий.
Активация жирной кислоты является двустадийным процессом. На первой стадии происходит взаимодействие жирной кислоты с молекулой АТР, при этом образуется промежуточный ациладенилатный комплекс.
Mg2+
RCH2COO- + ATP → RCH2C О ~ AMP + PPi
Ациладенилат остается связанным с ферментом, а пирофосфат под действием неорганической пирофосфатазы расщепляется на две молекулы ортофосфата.
неорганическая
пирофосфатаза
Н4Р2О7 + Н2О → 2 Н3РО4
На второй стадии ациладенилатный комплекс взаимодействует с HSCoA, в результате образуется тиоэфир жирной кислоты, вторым продуктом реакции является АМР.
Mg2+
RCH2CО ~ AMP + HSCoA → RCH2CО ~SCoA + AMP
Суммарная реакция:
Mg2+
RCH2COO- + ATP + HSCoA + Н2О → RCH2CО ~SCoA + AMP + 2Pi + Н+
∆G 0´= ‒15 кДж/моль (для двухстадийного процесса).
Дальнейшее расщепление СоА-производных жирных кислот осуществляется в матриксе митохондрий. Молекулы ацил-СоА способны проникать через внешнюю митохондриальную мембрану, но внутренняя мембрана является для них непреодолимым барьером. Существует специальный механизм, благодаря которому ацил-СоА преодолевают и внутреннюю митохондриальную мембрану.
Транспорт ацил-СоА в митохондрии
В транспорте ацил-СоА участвуют карнитин, который связывает молекулу жирной кислоты особым образом, в результате чего положительный (на атоме азота) и отрицательный (на атоме кислорода карбоксильной группы) заряды оказываются сближенными и нейтрализуют друг друга, и три белка ‒ карнитинацилтрансфераза I, локализованная во внешней митохондриальной мембране, карнитинацилкарнитин-транслоказа и карнитинацилтрансфераза II, локализованные во внутренней мембране митохондрий (рис.22.2).
Рис.22.2. Транспорт длинноцепочечных ацил-СоА из цитозоля в матрикс митохондрий
СоА-эфиры жирных кислот взаимодействуют с гидроксигруппой карнитина (γ-триметиламино-β-оксибутират). На внешней стороне наружной мембраны протекает транс-этерификация, катализируемая карнитинацилтрансферазой I, и полученный сложный эфир поступает в матрикс, причем его диффузия усиливается специальным ацилкарнитин/карнитин-транспортером, локализованным во внутренней мембране митохондрий.
Процесс завершается переносом ацильного остатка от карнитина к внутримитохондриальному СоА при участии фермента карнитинацилтрансферазы II, локализованной на внутренней поверхности внутренней митохондриальной мембраны. Транспорт ацил-СоА, опосредованный карнитином, является стадией, лимитирующей скорость окисления жирных кислот.
β-окисление жирных кислот
β-окисление ‒ циклический процесс, каждый цикл которого заключается в удалении двууглеродного фрагмента в форме ацетил-СоА, начиная от карбоксильного конца жирной кислоты. Цикл включает четыре реакции: дегидрирование, гидратацию, дегидрирование и тиолитическое расщепление. На рис.22.3 приведена схема β-окисления насыщенной жирной кислоты с четным числом атомов углерода.
В первой реакции происходит окисление ацил-СоА при участии FAD-зависимой ацил-СоА-дегидрогеназы. Три вида ацил-СоА-дегидрогеназ осуществляют окисление длинно-, средне- и короткоцепочечных ацил-СоА эфиров жирных кислот. Образовавшийся в реакции FADH2 в составе ацил-дегидрогеназы окисляется другим флавопротеином, переносящим электроны в митохондриальную электронтранспортную цепь и далее к кислороду. При этом происходит синтез АТР (два моля на одну пару перенесенных электронов). Окисление с участием ацил-СоА-дегидрогеназ, аналогично дегидрированию, катализируемому сукцинатдегидрогеназой в цикле лимонной кислоты.
Продукт окисления ‒ еноил-СоА гидратируется под действием еноил-гидратазы с образованием β-гидроксиацил-СоА. Существуют еноил-СоА-гидратазы, проявляющие специфичность к цис- или транс-формам еноил-СоА-производных жирных кислот. При этом транс-еноил-СоА гидратируется стереоспецифически в L-β-гидроксиацил-СоА, цис-изомеры ‒ в D-β-гидроксиацил-СоА.
В третьей реакции цикла β-окисления происходит дегидрирование L-β-гидроксиацил-СоА специфической только к L-изомерам β-гидроксиацил-СоА NAD+-зависимой дегидрогеназой. Окисление подвергается β-углеродный атом молекулы. Образующийся β-кетоацил-СоА в завершающей реакции цикла легко расщепляется тиолазой с образованием двух продуктов: ацил-СоА, укороченного по сравнению с исходным на два углеродных атома, и ацетил-СоА ‒ двууглеродной молекулы, отщепленной от жирнокислотной цепи. Ацил-СоА-производное подвергается следующему циклу реакций β-окисления, а ацетил-СоА вступает в цикл лимонной кислоты для дальнейшего окисления.
Рис.22.3. β-окисление насыщенных жирных кислот
Рассмотрим энергетический баланс окисления на примере стеариновой кислоты.
Уравнение β-окисления стеароил-СоА:
СН3(СН2)16-СО~SCоА + 8 HSCoA + 8 FAD + 8 NAD+ + 8Н2О →
9 СН3-СО~SCоА + 8 FADH2 + 8 NADH + 8H+ (22-1)
Ацетил-СоА, образованный при окислении жирных кислот, далее подвергается окислению до СО2 и Н2О в цикле лимонной кислоты. Следующее уравнение ‒ результат окисления стеароил-СоА в ЦТК (9 циклов):
9 СН3-СО~SCоА + 9 FAD + 27 NAD+ + 9 GDP + 9 Pi +27 Н2О →
18 СО2 +9 HSCоА + 9 FADН2 + 27 NADН +27Н+ + 9 GTP (22-2)
Уравнения окислительного фосфорилирования:
17 FADН2 + 8,5 О2 + 34 ADP + 34 Pi → 17 FAD + 17 Н2О + 34 ATP
35 NADН + 35Н+ + 17,5 O2 + 105 ADP + 105 Pi →
35 NAD+ + 35 Н2О + 105 ATP (22-3)
Комбинируя уравнения (22-2) и (22-3), получаем окончательное уравнение полного окисления cтеароил-СоА до СО2 и Н2О (исходя из предположения, что GDP = ADP и GTP = ATP):
СН3(СН2)16-СО~SCоА + 26 О2 + 148 Рi + 148 ADP →
18 СО2 + 17 Н2О + 148 АТР + HSCоА (22-4)
Таким образом, катаболизм жирных кислот обеспечивает продукцию энергии. Расчет выделяемой энергии удобно проводить по формуле:
[5(n/2 ‒ 1) + n/2∙12 ‒ 2],
где 5 ‒ число молекул АТР, образуемое при одном акте β-окисления; n ‒ число атомов углерода в ЖК; n/2 ‒ 1 ‒ число актов окисления; n/2 ‒ число молекул ацетил-СоА; 12 ‒ число молекул АТР, образующихся при полном окислении одной молекулы ацетил-СоА в цикле лимонной кислоты; 2 ‒ число молекул АТР, затраченных на активацию жирной кислоты.
При полном β-окислении стеариновой кислоты кислоты образуется 148 молекул АТР. С учетом двух молекул АТР, затраченных на активирование молекулы стеарата (образование стеароил-СоА), общий энергетический выход при окислении одной молекулы стеариновой кислоты в организме животных и человека составит 148 ‒ 2 = 146 молекул АТР. Рассчитано, что около 40% от всей потенциальной энергии стеариновой кислоты при ее окислении в организме используется для ресинтеза АТР, а оставшаяся часть теряется в виде тепла. Наиболее активно β-окисление протекает в митохондриях печени, почек, скелетной и сердечной мышц.
Примечание: β-окисление является источником эндогенной воды.
Катаболизм ненасыщенных жирных кислот
Окисление ненасыщенных жирных кислот происходит с соблюдением всех закономерностей β-окисления, но через дополнительные стадии, природа которых зависит от положения и геометрии двойной связи (связей) в обычных ненасыщенных жирных кислотах. Рассмотрим в качестве примера β-окисление олеиновой кислоты (С18:1, ∆9). Первые три цикла окисления приводят к образованию жирной кислоты с цис-∆3-конформацией двойной связи (рис.22.4).
Рис.22.4. β-окисление моноеновых жирных кислот
Чтобы смогла осуществиться следующая стадия ‒ гидратация с участием еноил-СоА-гидратазы, необходимо чтобы двойная связь в молекуле СоА-производного жирной кислоты переместилась из положения 3-4 в положение 2-3 и изменилась ее конфигурация из цис- в транс-. Это препятствие преодолевается с помощью дополнительного фермента цис,транс-изомеразы, катализирующей двойную изомеризацию ‒ изменяются и положение и геометрия двойной связи. После завершения изомеризации процесс β-окисления идет обычным путем.
При окислении линолевой кислоты (С18:2; ∆9,12) с двумя цис-двойными связями первые три цикла β-окисления приведут к образованию 12-углеродной кислоты с цис-двойными связями в положении 3 и 6. Это соединение не является субстратом ни для ацил-СоА-дегидрогеназы, ни для еноил-СоА-гидратазы в ходе β-окисления. В частности, как отмечено ранее, для гидратазы необходима транс-двойная связь между углеродными атомами 2 и 3. Кроме того, через следующие два цикла образуется ненасыщенная кислота с двойной связью в α,β-положении, но с цис-геометрией. В результате реакции гидратации данного соединения образуется D-изомер β-гидроксипродукта, который не может быть использован в качестве субстрата L-β-гидроксиацил-СоА-дегидрогеназой. Поэтому в случае окисления такой кислоты, как линолевая, необходимо участие не только цис-транс-изомеразы, но и второго дополнительного фермента ‒ эпимеразы, катализирующий D ↔ L превращение. После этого β-окисление проходит без помех. Такой метаболит служит субстратом еноил-гидратазы, превращающей транс-еноил-СоА в L-β-гидроксиацил-СоА.
Скорость окисления ненасыщенных жирных кислот выше, чем насыщенных жирных кислот.
Катаболизм жирных кислот с нечетным числом атомов углерода
Природные липиды в подавляющем большинстве содержат жирные кислоты с четным числом углеродных атомов. Однако в липидах многих растений и некоторых морских организмов присутствуют жирные кислоты с нечетным числом атомов углерода. Кроме того, у жвачных животных при переваривании углеводов в рубце образуется большое количество пропионовой кислоты, которая содержит три углеродных атома.
Пропионат всасывается в кровь и окисляется в печени и других тканях. Установлено, что жирные кислоты с нечетным числом углеродных атомов окисляются таким же образом, как и жирные кислоты с четным числом углеродных атомов, с той лишь разницей, что на последнем этапе β-окисления образуется одна молекула пропионил-СоА и одна молекула ацетил-СоА, а не две молекулы ацетил-СоА. Далее пропионил-СоА подвергается биотин-зависимому карбоксилированию и В12-зависимой внутримолекулярной перегруппировке, превращаясь в сукцинил-СоА, дальнейшее метаболическое превращение которого происходит в цикле лимонной кислоты (рис.22.5).
Рис. 22.5. Превращение пропионил-СоА в сукцинил-СоА
Образование кетоновых тел (кетогенез)
В некоторых случаях, например, при диабете, голодании, при диете, богатой липидами, в результате β-окисления происходит избыточное образование ацетил-СоА. Часть ацетил-СоА вступает в цикл лимонной кислоты и в дальнейшем используется в катаболизме и при производстве энергии. Избыток ацетил-СоА превращается в печени в соединение β-гидрокси-β-метилглутарил-СоА, являющийся предшественником в биосинтезе холестерина (рис.22.6).
Рис.22.6. Образование кетоновых тел в митохондриях печени
Кроме того, часть этого соединения превращается также в ацетоацетат (свободную кислоту) и ацетил-СоА. Ацетоацетат ферментативно восстанавливается до β-гидроксибутирата, а также неферментативным путем может декарбоксилироваться до ацетона. Если эти процессы идут достаточно интенсивно, то в крови появляются аномально высокие количества этих соединений, называемых кетоновыми телами.
ацетоацетат D-β-гидроксибутират ацетон
На ранних стадиях кетоновые тела вызывают состояние, называемое ацидозом, на поздних ‒ кетозом. Следствием является понижение рН крови под действием кислот, ацетоацетата и β-гидроксибутирата. Для кетоза характерно присутствие запаха ацетона в дыхании. Развитие этого состояния может перейти в кому и привести к смерти.
Синтез кетоновых тел (кетогенез) происходит в матриксе митохондрий печени. Жирные кислоты сначала расщепляются до ацетил-СоА в процессе β-окисления. Ацетил-СоА, прежде всего, используется как источник энергии для метаболических процессов, протекающих в печени. Часть ацетил-СоА может вовлекаться в кетогенез (рис.22.7).
Рис. 22.7. Образование и экспорт кетоновых тел из печени
Химизм процесса кетогенеза в клетках печени приведен на рис. 22.8.
• ‒ В реакции (1) осуществляется конденсация 2-х молекул ацетил-СоА при участии тиолазы. Образуется ацетоацетил-СоА и удаляется HSCoA.
• ‒ На второй стадии происходит включение третьей молекулы ацетил-СоА, но уже при участии другого фермента ‒ гидроксиметилглутарил-СоА-синтазы (ГМГ-СоА-синтазы) (2).
• ‒ Образующийся b-гидрокси-b-метилглутарил-CoA далее расщепляется под действием ГМГ-СоА-лиазы (3), регенерирующей ацетил-СоА и образующей продукт ‒ ацетоацетат.
Рис.22.8. Синтез кетоновых тел в гепатоцитах
Ацетоацетат может восстанавливаться до D-b-гидроксибутирата при участии D-b-гидроксибутиратдегидрогеназы.
Кетоновые тела как источники энергии
Кетоновые тела ‒ ворастворимые соединения, поэтому легко транспортируются через внутреннюю мембрану митохондрий, также как и через гемато-энцефалический барьер и клеточные мембраны. В связи с этим они могут использоваться в качестве источника энергии различными тканями, включая ЦНС (рис.22.10).
• ‒ D-b-гидроксибутират окисляется до ацетоацетата при участии NAD+-зависимой b-гидроксибутиратдегидрогеназы, при этом продуцируется молекула NADH (1).
• ‒ Следующая стадия ‒ присоединение HSCoA. Синтез ацетоацетил-СоА происходит путем реакции ацил-тиоэфирного обмена с участием сукцинил-СоА ферментом СоА-трансферазой (2). Сукцинил-СоА ‒ интермедиат цикла лимонной кислоты.
• ‒ При участии тиолазы (3) и еще одной молекулы HSСоА ацетоацетил-СоА расщепляется на 2 молекулы ацетил-СоА.
Рис.22.10. Кетоновые тела ‒ клеточное топливо
Кетоновые тела являются предпочтительными субстратами для аэробных мышц и сердца, чем глюкоза, когда они доступны. В периферических тканях кетоновые тела должны вновь превратиться в ацетил-СоА в митохондриях.
Глиоксилатный цикл
Растения и некоторые бактерии способны использовать ацетил-СоА, образующийся при катаболизме липидов (или из любого другого источника), не только для производства энергии, но и в качестве источника углерода для синтеза большинства других классов соединений. Животным также присуща такая универсальность, однако они существенно менее эффективно могут использовать углерод липидов для синтеза углеводов. Причина этого заключается в том, что растения и бактерии способны синтезировать два дополнительных фермента, изоцитрат-лиазу и малат-синтазу; оба этих фермента не синтезируются в организме животных.
Вместе с некоторыми ферментами цикла лимонной кислоты эти дополнительные ферменты участвуют в глиоксилатном цикле. В семенах растений, запасающих масло, глиоксилатный цикл осуществляется в отдельных органеллах, глиоксисомах.
Пероксисомальная/глиоксисомальная система отличается от митохондриальной двумя аспектами:
1) в первой окислительной реакции электроны переносятся на кислород, образуя воду, и 2) восстановленный NAD, образованный во второй окислительной реакции не реокисляется в пероксисомах или глиоксисомах, поэтому восстановительные эквиваленты переносятся в цитозоль и далее транспортируются в митохондрии (рис.22.11).
|
Митохондрия |
Пероксисома/глиоксисома
|
Рис. 22.11. Сравнение процесса β-окисления в митохондрии и пероксисоме/глиоксисоме
Ацетил-СоА, продуцированный в пероксисомах и глиоксисомах также экспортируется: ацетат из глиоксисом используется как биосинтетические предшественники. Ацетил-СоА, образованный в митохондриях, в дальнейшем окисляется в цикле лимонной кислоты.
содержание .. 19 20 21 22 ..