Окислення жирних кислот: процес, особливості та формула
Опубликованно 10.08.2018 02:22
Головна умова життя будь-якого організму - безперервне надходження енергії, яка витрачається на різні клітинні процеси. При цьому певна частина поживних сполук може використовуватися не відразу, а перетворюватися в запаси. Роль такого резервуара виконують жири (ліпіди), що складаються з гліцерину і жирних кислот. Останні й використовуються клітиною в якості палива. При цьому здійснюється окислення жирних кислот до СО2 і Н2О. Основні відомості про жирних кислотах
Жирні кислоти являють собою вуглецеві ланцюги різної довжини (від 4 до 36 атомів), яких по хімічній природі відносять до карбоновим кислотам. Ці ланцюги можуть бути як розгалуженими, так і не розгалуженими і містити різну кількість подвійних зв'язків. Якщо останні відсутні, жирні кислоти називають насиченими (характерно для багатьох ліпідів тваринного походження), а в іншому випадку - ненасиченими. По розташуванню подвійних зв'язків жирні кислоти поділяють на мононенасичені і поліненасичені.
Більшість ланцюгів містить парне число атомів вуглецю, що пов'язано з особливістю їх синтезу. Однак є з'єднання з непарною кількістю ланок. Окислення цих двох типів сполук дещо відрізняється. Загальна характеристика
Процес окислення жирних кислот складний і багатостадійний. Він починається з їх проникнення в клітину і завершується в дихальної ланцюга. При цьому заключні етапи фактично повторюють катаболізм вуглеводів (цикл Кребса, перетворення енергії трансмембранного градієнта в макроэргическую зв'язок). Кінцевими продуктами процесу є АТФ, CO2 і вода.
Окислення жирних кислот у клітини еукаріотів здійснюється в мітохондріях (найбільш характерне місце локалізації), пероксисомах або ендоплазматичному ретикулумі. Різновиди (типи) окислення
Існує три типу окислення жирних кислот: ?, ?-і ?. Найбільш часто цей процес протікає по ?-механізму і локалізується в мітохондріях. Омега-шлях являє собою другорядну альтернативу ?-механізму і здійснюється в ендоплазматичному ретикулумі, а альфа-механізм характерний лише для одного виду жирної кислоти (фитановой). Біохімія окислення жирних кислот в мітохондріях
Для зручності процес мітохондріального катаболізму умовно поділяється на 3 етапи: активація та транспортування в мітохондрії; окислення; окислення утворився ацетил-коензиму А через цикл Кребса і электротранспортную ланцюг.
Активація являє собою підготовчий процес, який переводить жирні кислоти у форму, доступну для біохімічних перетворень, так як самі по собі ці молекули інертні. Крім того, без активації вони не можуть проникнути в мембрани мітохондрій. Ця стадія протікає біля зовнішньої мембрани мітохондрій.
Власне, окислення - ключовий етап процесу. Воно включає чотири стадії, по закінченні яких жирна кислота перетворюється на молекули Ацетил-КоА. Той же продукт утворюється і при утилізації вуглеводів, так що подальші етапи аналогічні останнім стадій аеробного гліколізу. Освіта АТФ відбувається в ланцюгу переносу електронів, де енергія електрохімічного потенціалу використовується для утворення макроэргической зв'язку.
В процесі окислення жирної кислоти крім Ацетил-КоА утворюються також молекули NADH і FADH2, які теж надходять в дихальний ланцюг в якості донорів електронів. В результаті сумарний енергетичний вихід катаболізму ліпідів досить високий. Так, наприклад, окислення пальмітинової кислоти з ?-механізму дає 106 молекул АТФ. Активація та перенесення в мітохондріальний матрикс
Жирні кислоти самі по собі інертні і не можуть піддаватися окисленню. Активація призводить їх у форму, доступну для біохімічних перетворень. Крім того, в незмінному вигляді ці молекули не можуть проникнути в мітохондрії.
Суть активації полягає в перетворенні жирної кислоти в її Ацил-СоА-тиоэфир, який згодом і піддається окисленню. Цей процес здійснюється спеціальними ферментами - тиокиназами (Ацил-СоА-синтетазами), прикріпленими до зовнішньої мембрани мітохондрій. Реакція протікає в 2 етапи, пов'язані з витратою енергії двох АТФ.
Для активації необхідні три компонента: АТФ; HS-CoA; Mg2+.
Спочатку жирна кислота взаємодіє з АТФ з утворенням ациладенилата (проміжне з'єднання). Той, у свою чергу, реагує з HS-CoA, тиоловая група якого витісняє АМФ, формуючи тиоэфирную зв'язок з карбоксильної групою. В результаті утворюється речовина ацил-CoA - похідне жирної кислоти, яка і транспортується в мітохондрії. Транспортування в мітохондрії
Ця стадія отримала назву трансэтирификации з карнитином. Перенесення ацил-CoA в митихондриальных матрикс здійснюється через пори з участю карнітину і спеціальних ферментів - карнітин-ацилтрансфераз.
Для транспортування через мембрани CoA замінюється на карнітин з утворенням ацил-карнітину. Це речовина переноситься в матрикс методом полегшеної дифузії з участю ацил-карнітин/карнитинового переносника.
Всередині мітохондрій здійснюється реакція зворотного характеру, яка полягає у від'єднанні ретиналю, знову надходить у мембрани, і відновлення ацил-CoA (в даному випадку використовується "місцевий" коензим А, а не той, з яким була утворена зв'язок на стадії активації). Основні реакції окислення жирних кислот за ?-механізму
До найпростішого типу енергетичної утилізації жирних кислот відносять ?-окислення не мають подвійних зв'язків ланцюгів, в яких кількість вуглецевих ланок парне. В якості субстрату для цього процесу, як вже вище зазначалося, виступає ацил коензиму А.
Процес ?-окислення жирних кислот складається з 4 реакцій: Дегідрування - відщеплення водню від ?-вуглецевого атома з виникненням подвійного зв'язку між ланками ланцюга, що знаходяться в ? і ?-положеннях (перший і другий атоми). В результаті утворюється еноил-CoA. Ферментом реакції є ацил-CoA-дегідрогеназа, яка діє в комплексі з коферменту ФАД (останній відновлюється до ФАДН2). Гідратація - приєднання молекули води до еноил-CoA, в результаті чого утворюється L-?-гидроксиацил-CoA. Здійснюється еноил-CoA-гидратазой. Дегідрування - окислення продукту попередньої реакції НАД-залежної дегидрогеназой з утворенням ?-кетоацил-коензиму А. При цьому відбувається відновлення НАД до НАДН. Розщеплення ?-кетоацил-CoA до ацетил-CoA і укороченого на 2 атома вуглецю ацил-CoA. Реакція здійснюється під дією тіолази. Обов'язковою умовою є присутність вільного HS-CoA.
Потім все знову починається з першої реакції.
Циклічне повторення всіх стадій здійснюється до тих пір, поки вся вуглецева ланцюг жирної кислоти не перетвориться в молекули ацетил-коензиму А. Утворення Ацетил-КоА і АТФ на прикладі окиснення пальмитоил-CoA
В кінці кожного циклу в єдиному кількості утворюються молекули ацил-CoA, НАДН і ФАДН2, а ланцюг ацил-CoA-тиоефіру стає коротшим на два атома. Передаючи електрони в электротранспортную ланцюг, ФАДН2 дає півтори молекули АТФ, а НАДН - дві. В результаті з одного циклу виходить 4 молекули АТФ, не рахуючи енерговихід ацетил-CoA.
В ланцюжок пальмітинової кислоти входить 16 вуглецевих атомів. Це означає, що на стадії окислення повинно здійснитися 7 циклів з утворенням восьми ацетил-CoA, а енерговихід від НАДН і ФАДН2 в такому випадку складе 28 молекул АТФ (4?7). Окислення ацетил-CoA теж йде на утворення енергії, яка запасається в результаті надходження в электротранспортную ланцюг продуктів циклу Кребса.
Сумарний вихід стадій окиснення і циклу Кребса
В результаті окислення ацетил-CoA виходить 10 молекул АТФ. Так як катаболізм пальмитоил-CoA дає 8 ацетил-CoA, то энергитический вихід буде 80 АТФ (10?8). Якщо скласти це з результатом окислення НАДН і ФАДН2, то вийде 108 молекул (80+28). З цієї кількості слід відняти 2 АТФ, які пішли на активацію жирної кислоти.
Підсумкове рівняння реакції окислення пальмітинової кислоти буде мати вигляд: пальмитоил-CoA + 16 О2 + 108 Pi + 80 АДФ = CoA + 108 АТФ + 16 З2 + 16 H2O. Розрахунок виділення енергії
Енергетичний вихлоп від катаболізму конкретної жирної кислоти залежить від кількості вуглецевих ланок у її ланцюга. Число молекул АТФ розраховується за формулою:
[4(n/2 - 1) + n/2?10] - 2,
де 4 - кількість АТФ, що утворяться при кожному циклі за рахунок НАДН і ФАДН2, (n/2 - 1) - кількість циклів, n/2?10 - енерговихід від окислення ацетил-CoA, а 2 - витрати на активацію. Особливості реакцій
Окислення ненасичених жирних кислот має деякі особливості. Так, складність окислення ланцюгів з подвійними зв'язками полягає в тому, що останні не можуть піддаватися впливу еноил-CoA-гидратазы з-за того, що знаходяться в цис-положенні. Ця проблема усувається еноил-CoA-изомеразой, завдяки якій зв'язок набуває транс-конфігурацію. В результаті молекула стає повністю ідентичною продукту першій стадії бета-окислення і може піддаватися гідратації. Ділянки, які містять тільки одинарні зв'язки, окислюються так само, як насичені кислоти.
Іноді для продовження процесу недостатньо еноил-CoA-изомеразы. Це стосується ланцюгів, в яких присутня конфігурація цис9-цис12 (подвійні зв'язки при 9-м і 12-м атомах вуглецю). Тут перешкодою є не тільки конфігурація, але і стан подвійних зв'язків у ланцюзі. Останнім виправляється ферментом 2,4-диеноил-CoA-редуктазой. Катаболізм жирних кислот з непарним числом атомів
Такий тип кислот характерний для більшої частини ліпідів природного (природного) походження. Це створює певну складність, так як кожен цикл передбачає укорочення на парне число ланок. З цієї причини циклічне окислення вищих жирних кислот даної групи триває до появи в якості продукту 5-вуглецевого зв'язку, яка розщеплюється на ацетил-CoA і пропионил-коензим А. Обидва сполуки надходять в інший цикл з трьох реакцій, у результаті яких утворюється сукцинил-CoA. Саме він і вступає в цикл Кребса. Особливості окислення в пероксисомах
У пероксисомах окислення жирних кислот відбувається за бета-механізму, який подібний, але не ідентичний мітохондріального. Він також складається з 4-х стадій, що завершуються утворенням продукту у вигляді ацетил-CoA, але при цьому має кілька ключових відмінностей. Так, водень, отщепившийся на стадії дегідрування, не відновлює ФАД, а переходить на кисень з утворенням пероксиду водню. Останній відразу піддається розщепленню під дією каталази. У результаті енергія, яка могла бути використана для синтезу АТФ в дихальної ланцюга, розсіюється у вигляді тепла.
Друга важлива відмінність полягає в тому, що деякі ферменти пероксисом специфічні до певних малопоширених жирним кислотам і відсутні в митохондриальном матриксі.
Особливість пероксисом клітин печінки полягає в тому, що там відсутня ферментний апарат циклу Кребса. Тому в результаті бета-окислення утворюються коротколанцюгові продукти, які для окислення транспортуються в мітохондрії. Автор: Лідія Шерстова 29 Липня, 2018
Категория: Студентам