Уравнение реакции с участием карнитина

Для окисления жирных кислот существует свой путь

Окисление жирных кислот (β-окисление)

Для преобразования энергии, заключенной в жирных кислотах, в энергию связей АТФ существует метаболический путь окисления жирных кислот до СО₂ 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 + + 7Н₂O + 7HS-KoA → 8Ацетил-SКоА + 7ФАДН₂ + 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.

Реакция активации жирной кислоты

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

Карнитин-зависимый транспорт жирных кислот в митохондрию

3. После связывания с карнитином жирная кислота переносится через внутреннюю митохондриальную мембрану транслоказой . На внутренней стороне этой 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 ФАДH₂ – 2,0.

По современным данным значение коэффициента P/O для НАДH соответствует 2,5, для ФАДH₂ – 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 ФАДН₂ не образуется. Количество недополученных ФАДН₂ соответствует числу двойных связей. Остальные реакции цикла идут без изменений.
• количество энергии АТФ , потраченной на активацию (всегда соответствует двум макроэргическим связям).

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 источником 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 (С₆Н₅–).

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 основой современных представлений о механизме окисления жирных кислот.

Доставка жирных кислот к месту их окисления – к митохондриям – происходит сложным путем: при участии альбумина осуществляется транспорт 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 основных 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 окислению, 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, представляющим 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

с длинной цепью через внутреннюю митохондриальную мембрану служит карнитин. Ацильная группа переносится с атома серы КоА на гидроксильную 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 происходит 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 последовательных энзиматических реакций.

Первая стадия дегидрирования. 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:

Существует несколько ФАД-содержащих ацил-КоА-дегидрогеназ, каждая из которых обладает специфичностью по отношению к ацил-КоА с определенной длиной углеродной цепи.

Стадия гидратации. 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 гидратации фумарата и аконитата (см. с. 348). В результате гидратации транс-Δ 2 -двойной связи образуется только L-изомер 3-гидроксиацил-КоА.

Вторая стадия дегидрирования. Образовавшийся β-оксиацил-КоА (3-гидроксиацил-КоА) затем дегидрируется. Эту реакцию катализируют НАД + -зависимые дегидрогеназы:

Тиолазная реакция. В ходе предыдущих реакций происходило окисление 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 окисляется до 2 молекул ацетил-КоА (рис. 11.2). Например, при окислении пальмитиновой кислоты (С₁₆) повторяется 7 циклов β-окисления. Запомним, что при окислении жирной кислоты, содержащей п углеродных

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. Следовательно, суммарное уравнение β-окисления активированной кислоты можно записать так:

Пальмитоил-КоА + 7ФАД + 7НАД + + 7Н₂O + 7HS-KoA –>

–> 8Ацетил-КоА + 7ФАДН₂ + 7НАДН + 7Н + .

Баланс энергии. При каждом цикле β-окисления образуются одна молекула ФАДН₂ и одна молекула НАДН. Последние в процессе окисления в дыхательной цепи и сопряженного с ним фосфорилирования дают: ФАДН₂ – 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 пальмитиновой 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 пальмитиновой 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 кислоты составляет 2338 ккал, а богатая энергией фосфатная связь АТФ характеризуется величиной 7,6 ккал/моль. Нетрудно подсчитать, что примерно 990 ккал (7,6 х 130), или 42% от всей потенциальной энергии пальмитиновой кислоты при ее окислении в организме, используется для ресинтеза АТФ, а оставшаяся часть, очевидно, теряется в виде тепла.

Следовательно, эффективность накопления энергии в результате окисления жирных кислот при стандартных условиях составляет

Окисление жирных кислот: процесс, особенности и формула

Главное условие жизни любого организма — непрерывное поступление энергии, которая расходуется на различные клеточные процессы. При этом определенная часть питательных соединений может использоваться не сразу, а преобразовываться в запасы. Роль такого резервуара выполняют жиры (липиды), состоящие из глицерина и жирных кислот. Последние и используются клеткой в качестве топлива. При этом осуществляется окисление жирных кислот до СО₂ и Н₂О.

Основные сведения о жирных кислотах

Жирные кислоты представляют собой углеродные цепи различной длины (от 4 до 36 атомов), которых по химической природе относят к карбоновым кислотам. Эти цепи могут быть как разветвленными, так и не разветвленными и содержать разное количество двойных связей. Если последние полностью отсутствуют, жирные кислоты называют насыщенными (характерно для многих липидов животного происхождения), а в противном случае — ненасыщенными. По расположению двойных связей жирные кислоты подразделяют на мононенасыщенные и полиненасыщенные.

Большинство цепей содержит четное число атомов углерода, что связано с особенностью их синтеза. Однако есть соединения с нечетным количеством звеньев. Окисление этих двух типов соединений несколько отличается.

Общая характеристика

Процесс окисления жирных кислот сложный и многостадийный. Он начинается с их проникновения в клетку и завершается в дыхательной цепи. При этом заключительные этапы фактически повторяют катаболизм углеводов (цикл Кребса, превращение энергии трансмембранного градиента в макроэргическую связь). Конечными продуктами процесса являются АТФ, CO₂ и вода.

Окисление жирных кислот в клетке эукариот осуществляется в митохондриях (наиболее характерное место локализации), пероксисомах или эндоплазматическом ретикулуме.

Разновидности (типы) окисления

Существует три типа окисления жирных кислот: α, β и ω. Наиболее часто этот процесс протекает по β-механизму и локализуется в митохондриях. Омега-путь представляет собой второстепенную альтернативу β-механизму и осуществляется в эндоплазматическом ретикулуме, а альфа-механизм характерен только для одного вида жирной кислоты (фитановой).

Биохимия окисления жирных кислот в митохондриях

Для удобства процесс митохондриального катаболизма условно подразделяется на 3 этапа:

• активация и транспортировка в митохондрии;
• окисление;
• окисление образовавшегося ацетил-коэнзима А через цикл Кребса и электротранспортную цепь.

Активация представляет собой подготовительный процесс, который переводит жирные кислоты в форму, доступную для биохимических превращений, так как сами по себе эти молекулы инертны. Кроме того, без активации они не могут проникнуть в мембраны митохондрий. Эта стадия протекает у внешней мембраны митохондрий.

Собственно, окисление — ключевой этап процесса. Оно включает четыре стадии, по окончании которых жирная кислота превращается в молекулы Ацетил-КоА. Тот же продукт образуется и при утилизации углеводов, так что дальнейшие этапы аналогичны последним стадиям аэробного гликолиза. Образование АТФ происходит в цепи переноса электронов, где энергия электрохимического потенциала используется для образования макроэргической связи.

В процессе окисления жирной кислоты кроме Ацетил-КоА образуются также молекулы NADH и FADH₂, которые тоже поступают в дыхательную цепь в качестве доноров электронов. В результате суммарный энергетический выход катаболизма липидов достаточно высок. Так, к примеру, окисление пальмитиновой кислоты по β-механизму дает 106 молекул АТФ.

Активация и перенос в митохондриальный матрикс

Жирные кислоты сами по себе инертны и не могут подвергаться окислению. Активация приводит их в форму, доступную для биохимических превращений. Кроме того, в неизменном виде эти молекулы не могут проникнуть в митохондрии.

Суть активации заключается в превращении жирной кислоты в ее Ацил-СоА-тиоэфир, который впоследствии и подвергается окислению. Этот процесс осуществляется специальными ферментами — тиокиназами (Ацил-СоА-синтетазами), прикрепленными к внешней мембране митохондрий. Реакция протекает в 2 этапа, сопряженных с затратой энергии двух АТФ.

Для активации необходимы три компонента:

Вначале жирная кислота взаимодействует с АТФ с образованием ациладенилата (промежуточное соединение). Тот, в свою очередь, реагирует с HS-CoA, тиоловая группа которого вытесняет АМФ, формируя тиоэфирную связь с карбоксильной группой. В результате образуется вещество ацил-CoA — производное жирной кислоты, которое и транспортируется в митохондрии.

Транспортировка в митохондрии

Эта стадия получила название трансэтирификации с карнитином. Перенос ацил-CoA в митихондриальных матрикс осуществляется через поры с участием карнитина и специальных ферментов — карнитин-ацилтрансфераз.

Для транспортировки через мембраны CoA заменяется на карнитин с образованием ацил-карнитина. Это вещество переносится в матрикс методом облегченной диффузии с участием ацил-карнитин/карнитинового переносчика.

Внутри митохондрий осуществляется реакция обратного характера, заключающаяся в отсоединении ретиналя, вновь поступающего в мембраны, и восстановлении ацил-CoA (в данном случае используется «местный» коэнзим А, а не тот, с которым была образована связь на стадии активации).

Основные реакции окисления жирных кислот по β-механизму

К самому простому типу энергетической утилизации жирных кислот относят β-окисление не имеющих двойных связей цепей, в которых количество углеродных звеньев четное. В качестве субстрата для этого процесса, как уже выше отмечалось, выступает ацил коэнзима А.

Процесс β-окисления жирных кислот состоит из 4 реакций:

1. Дегидрирование — отщепление водорода от β-углеродного атома с возникновением двойной связи между звеньями цепи, находящимися в α и β-положениях (первый и второй атомы). В результате образуется еноил-CoA. Ферментом реакции является ацил-CoA-дегидрогеназа, которая действует в комплексе с кофермента ФАД (последний восстанавливается до ФАДН2).
2. Гидратация — присоединение молекулы воды к еноил-CoA, в результате чего образуется L-β-гидроксиацил-CoA. Осуществляется еноил-CoA-гидратазой.
3. Дегидрирование — окисление продукта предыдущей реакции НАД-зависимой дегидрогеназой с образованием β-кетоацил-коэнзима А. При этом происходит восстановление НАД до НАДН.
4. Расщепление β-кетоацил-CoA до ацетил-CoA и укороченного на 2 атома углерода ацил-CoA. Реакция осуществляется под действием тиолазы. Обязательным условием является присутствие свободного HS-CoA.

Затем все снова начинается с первой реакции.

Цикличное повторение всех стадий осуществляется до тех пор, пока вся углеродная цепочка жирной кислоты не превратится в молекулы ацетил-коэнзима А.

Образование Ацетил-КоА и АТФ на примере окисления пальмитоил-CoA

В конце каждого цикла в единственном количестве образуются молекулы ацил-CoA, НАДН и ФАДН2, а цепь ацил-CoA-тиоэфира становится короче на два атома. Передавая электроны в электротранспортную цепь, ФАДН2 дает полторы молекулы АТФ, а НАДН — две. В результате из одного цикла получается 4 молекулы АТФ, не считая энерговыход ацетил-CoA.

В цепочку пальмитиновой кислоты входит 16 углеродных атомов. Это означает, что на стадии окисления должно осуществиться 7 циклов с образованием восьми ацетил-CoA, а энерговыход от НАДН и ФАДН₂ в таком случае составит 28 молекул АТФ (4×7). Окисление ацетил-CoA тоже идет на образование энергии, которая запасается в результате поступления в электротранспортную цепь продуктов цикла Кребса.

Суммарный выход стадий окисления и цикла Кребса

В результате окисления ацетил-CoA получается 10 молекул АТФ. Так как катаболизм пальмитоил-CoA дает 8 ацетил-CoA, то энергитический выход будет 80 АТФ (10×8). Если сложить это с результатом окисления НАДН и ФАДН₂, то получится 108 молекул (80+28). Из этого количества следует вычесть 2 АТФ, которые ушли на активацию жирной кислоты.

Итоговое уравнение реакции окисления пальмитиновой кислоты будет иметь вид: пальмитоил-CoA + 16 О₂ + 108 Pi + 80 АДФ = CoA + 108 АТФ + 16 СО₂ + 16 H₂O.

Расчет выделения энергии

Энергетический выхлоп от катаболизма конкретной жирной кислоты зависит от количества углеродных звеньев в ее цепи. Число молекул АТФ рассчитывается по формуле:

[4(n/2 — 1) + n/2×10] — 2,

где 4 — количество АТФ, образующиеся при каждом цикле за счет НАДН и ФАДН2, (n/2 — 1) — количество циклов, n/2×10 — энерговыход от окисления ацетил-CoA, а 2 — затраты на активацию.

Особенности реакций

Окисление ненасыщенных жирных кислот имеет некоторые особенности. Так, сложность окисления цепей с двойными связями заключается в том, что последние не могут подвергаться воздействию еноил-CoA-гидратазы из-за того, что находятся в цис-положении. Эта проблема устраняется еноил-CoA-изомеразой, благодаря которой связь приобретает транс-конфигурацию. В результате молекула становится полностью идентичной продукту первой стадии бета-окисления и может подвергаться гидратации. Участки, содержащие только одинарные связи, окисляются так же, как насыщенные кислоты.

Иногда для продолжения процесса недостаточно еноил-CoA-изомеразы. Это касается цепей, в которых присутствует конфигурация цис9-цис12 (двойные связи при 9-м и 12-м атомах углерода). Здесь помехой является не только конфигурация, но и положение двойных связей в цепи. Последнее исправляется ферментом 2,4-диеноил-CoA-редуктазой.

Катаболизм жирных кислот с нечетным числом атомов

Такой тип кислот характерен для большей части липидов естественного (природного) происхождения. Это создает определенную сложность, так как каждый цикл подразумевает укорачивание на четное число звеньев. По этой причине циклическое окисление высших жирных кислот данной группы продолжается до появления в качестве продукта 5-углеродного соединения, которое расщепляется на ацетил-CoA и пропионил-коэнзим А. Оба соединения поступают в другой цикл из трех реакций, в результате которых образуется сукцинил-CoA. Именно он и поступает в цикл Кребса.

Особенности окисления в пероксисомах

В пероксисомах окисление жирных кислот происходит по бета-механизму, который подобен, но не идентичен митохондриальному. Он также состоит из 4-х стадий, завершающихся образованием продукта в виде ацетил-CoA, но при этом имеет несколько ключевых отличий. Так, водород, отщепившийся на стадии дегидрирования, не восстанавливает ФАД, а переходит на кислород с образованием перикиси водорода. Последний сразу подвергается расщеплению под действием каталазы. В результате энергия, которая могла быть использована для синтеза АТФ в дыхательной цепи, рассеивается в виде тепла.

Второе важное различие заключается в том, что некоторые ферменты пероксисом специфичны к определенным малораспространенным жирным кислотам и отсутствуют в митохондриальном матриксе.

Особенность пероксисом клеток печени заключается в том, что там отсутствует ферментный аппарат цикла Кребса. Поэтому в результате бета-окисления образуются короткоцепочечные продукты, которые для окисления транспортируются в митохондрии.