Окислення жирних кислот: процес, особливості та формула

Окислення жирних кислот: процес, особливості та формула


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 на запаси. Роль такого резервуара виконують жири (ліпіди), що складаються з гліцерину і жирних кислот. Останні і використовуються клітиною в якості палива. При цьому здійснюється окислення жирних кислот до SO2 і N2O.


Основні відомості про жирні кислоти

Жирні кислоти представляють собою вуглецеві ланцюги різної довжини (від 4 до 36 атомів), яких за хімічною природою відносять до карбонових кислот. Ці ланцюги можуть бути як розгалуженими, так і не розгалуженими і містити різну кількість подвійних зв'язків. Якщо останні повністю відсутні, жирні кислоти називають насиченими (характерно для багатьох ліпідів тваринного походження), а в іншому випадку - ненасиченими. За розташуванням подвійних зв'язків жирні кислоти підрозділяють на мононенасичені і поліненасичені.

Більшість ланцюгів містить чітке 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 клітку і завершується в дихальному ланцюгу. При цьому заключні етапи фактично повторюють катаболізм вуглеводів (цикл Кребса, перетворення енергії трансмембранного градієнта на макроергічний зв'язок). Кінцевими продуктами процесу є АТФ, CO2 і вода.

Окислення жирних кислот у клітці еукаріот здійснюється в мітохондріях (найбільш характерне місце локалізації), пероксисомах або ендоплазматичному ретикулумі.

Різновиди (типи) окислення

Існує три типи окислення жирних кислот: - Так, Так. Найбільш часто цей процес протікає по лід-механізму і локалізується в мітохондріях. Омега-шлях являє собою другорядну альтернативу лід-механізму і здійснюється в ендоплазматичному ретикулумі, а альфа-механізм характерний тільки для одного виду жирної кислоти (фітанової).

Біохімія окислення жирних кислот у мітохондріях

Для зручності процес мітохондріального катаболізму умовно підрозділюється на 3 етапи:

  • активація та транспортування в мітохондрії;
  • окислення;
  • окислення ацетил-коензиму А через цикл Кребса і електротранспортний ланцюг.

Активація являє собою підготовчий процес, який переводить жирні кислоти в форму, доступну для біохімічних перетворень, оскільки 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, після закінчення яких жирна кислота перетворюється на молекули Ацетил-КоА. Той же продукт утворюється і при утилізації вуглеводів, так що подальші етапи аналогічні останнім стадіям аеробного гліколізу. Утворення АТФ відбувається в ланцюгу перенесення електронів, де енергія електрохімічного потенціалу використовується для утворення макроергічного зв'язку.

У процесі окислення жирної кислоти крім Ацетил-КоА утворюються також молекули NADH і FADH2, які теж надходять у дихальний ланцюг як донори електронів. В результаті сумарний енергетичний вихід катаболізму ліпідів досить високий. Так, наприклад, окислення пальмітинової кислоти за лід-механізмом дає 106 молекул АТФ.

Активація і перенесення в мітохондріальний матрикс

Жирні кислоти самі по собі інертні і не можуть піддаватися окисленню. Активація приводить 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 на її Ацил-СоА-тіоефір, який згодом і піддається окисленню. Цей процес здійснюється спеціальними ферментами - тіокіназами (Ацил-СоА-синтетазами), прикріпленими до зовнішньої мембрани мітохондрій. Реакція протікає в 2 етапи, пов'язаних з витратою енергії двох АТФ.

Для активації необхідні три компоненти:

  • АТФ;
  • HS-CoA;
  • Mg2+.

Спочатку жирна кислота взаємодіє з АТФ з утворенням ациладенілату (проміжне з'єднання). Той, у свою чергу, реагує з HS-CoA, тіолова група якого витісняє АМФ, формуючи тіоефірний зв'язок з карбоксильною групою. В результаті утворюється речовина ацил-CoA - похідна жирної кислоти, яка і транспортується в мітохондрії.

Транспортування в мітохондрії

Ця стадія отримала назву трансетифікації з карнітином. Перенесення аціл-CoA в мітихондріальних матрикс здійснюється через пори за участю карнитина і спеціальних ферментів - карнітин-ацилтрансфераз.

Для транспортування через мембрани CoA замінюється на карнітин з утворенням аціл-карнітину. Ця речовина переноситься в матрикс методом полегшеної дифузії за участю аціл-карнітин/карнітинового переносника.

Всередині мітохондрій здійснюється реакція зворотного характеру, що полягає у від'єднанні ретиналю, який знову надходить у мембрани, і відновленні аціл-CoA (в даному випадку використовується «» місцевий «» коензим А, а не той, з яким було утворено зв'язок на стадії активації).

Основні реакції окислення жирних кислот за лід-механізмом

До найпростішого типу енергетичної утилізації жирних кислот відносять лід-окислення не мають подвійних зв'язків ланцюгів, в яких кількість вуглеців парна. В якості субстрату для цього процесу, як вже вище зазначалося, виступає аціл коензиму А.

Процес лід-окислення жирних кислот складається з 4 реакцій:

  1. Дегідування - відщеплення водню від лід-вуглецевого атома з виникненням подвійного зв'язку між ланками ланцюга, що знаходяться в лід і лід-положеннях (перший і другий атоми). В результаті утворюється єноїл-CoA. Ферментом реакції є аціл-CoA-дегідрогеназа, яка діє в комплексі з коферменту ФАД (останній відновлюється до ФАДН2).
  2. Гідратація - приєднання молекули води до єноїл-CoA, в результаті чого утворюється L-лід-гідроксиацил-CoA. Здійснюється єноїл-CoA-гідратазою.
  3. Дегідування - окислення продукту попередньої реакції НАД-залежною дегідрогеназою з утворенням лід-кетоацил-коензиму А. При цьому відбувається відновлення НАД до НАДН.
  4. Розщеплення лід-кетоацил-CoA до ацетил-CoA і вкороченого на 2 атома вуглецю аціл-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 весь вуглецевий ланцюжок жирної кислоти не перетвориться на молекули ацетил-коензиму А.

Утворення Ацетил-КоА і АТФ на прикладі окислення пальмітоіл-CoA

Наприкінці кожного циклу в єдиній кількості утворюються молекули аціл-CoA, НАДН і FADN2, а ланцюг аціл-CoA-тіоефіру стає коротшим на два атоми. Передаючи електрони в електротранспортний ланцюг, FADN2 дає півтори молекули АТФ, а НАДН - дві. В результаті з одного циклу виходить 4 молекули АТФ, не рахуючи енерговихід ацетил-CoA.

У ланцюжок пальмітинової кислоти входить 16 вуглецевих атомів. Це означає, що на стадії окислення має здійснитися 7 циклів з утворенням восьми ацетил-CoA, а енерговихід від НАДН і FADN2 в такому випадку складе 28 молекул АТФ (4 ст.1 7). Окислення ацетил-CoA теж йде на утворення енергії, яка запасається в результаті надходження в електротранспортний ланцюг продуктів циклу Кребса.

Сумарний вихід стадій окислення і циклу Кребса

В результаті окислення ацетил-CoA виходить 10 молекул АТФ. Оскільки катаболізм пальмітоіл-CoA дає 8 ацетил-CoA, то енергітичний вихід буде 80 АТФ (10 ст.1 8). Якщо скласти це з результатом окислення НАДН і FADN2, то вийде 108 молекул (80 + 28). З цієї кількості випливає відняти 2 АТФ, які пішли на активацію жирної кислоти.

Підсумкове рівняння реакції окислення пальмітинової кислоти матиме вигляд: пальмітоїл-CoA + 16 O2 + 108 Pi + 80 АДФ = CoA + 108 АТФ + 16 SO2 + 16 H2O.

Розрахунок виділення енергії

Енергетичний вихлоп від катаболізму конкретної жирної кислоти залежить від кількості вуглецевих ланок в її ланцюгу. Число молекул АТФ розраховується за формулою:

[4(n/2 - 1) + n/2×10] - 2,

де 4 - кількість АТФ, що утворюються при кожному циклі за рахунок НАДН і FADN2, (n/2 - 1) - кількість циклів, n/2 ст.1 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 єноїл-CoA-гідратази через те, що знаходяться в ціс-положенні. Ця проблема усувається еноїл-CoA-ізомеразою, завдяки якій зв'язок набуває транс-конфігурацію. В результаті молекула стає повністю ідентичною продукту першої стадії бета-окислення і може піддаватися гідратації. Ділянки, що містять тільки одинарні зв'язки, окисляються так само, як насичені кислоти.

Іноді для продовження процесу недостатньо еноїл-CoA-ізомерази. Це стосується ланцюгів, в яких присутня конфігурація ціс9-ціс12 (подвійні зв'язки при 9-му і 12-му атомах вуглецю). Тут перешкодою є не тільки конфігурація, але і положення подвійних зв'язків у ланцюгу. Останнє виправляється ферментом 2,4-дієноїл-CoA-редуктазою.

Катаболізм жирних кислот з непарним числом атомів

Такий тип кислот характерний для більшої частини ліпідів природного (природного) походження. Це створює певну складність, оскільки кожен цикл передбачає укорачивання на парне число ланок. З цієї причини циклічне окислення вищих жирних кислот даної групи триває до появи в якості продукту 5-вуглецевого з'єднання, яке розщеплюється на ацетил-CoA і пропіоніл-коензим А. Обидва з'єднання надходять в інший цикл з трьох реакцій, в результаті яких утворюється сукцинив-CoA. Саме він і вступає до циклу Кребса.

Особливості окислення в пероксисомах

У пероксисомах окислення жирних кислот відбувається за бета-механізмом, який подібний, але не ідентичний мітохондріальному. Він також складається з 4-х стадій, що завершуються утворенням продукту у вигляді ацетил-CoA, але при цьому має кілька ключових відмінностей. Так, водень, який відщепився на стадії дегідрування, не відновлює ФАД, а переходить на кисень з утворенням перикісі водню. Останній відразу піддається розщепленню під дією каталази. В результаті енергія, яка могла бути використана для синтезу АТФ в дихальному ланцюгу, розсіюється у вигляді тепла.

Друга важлива відмінність полягає в тому, що деякі ферменти пероксисом специфічні до певних малорозповсюджених жирних кислот і відсутні в мітохондріальному матриксі.

Особливість пероксисом клітин печінки полягає в тому, що там відсутній ферментний апарат циклу Кребса. Тому в результаті бета-окислення утворюються короткоцепочкові продукти, які для окислення транспортуються в мітохондрії.