Окисление жирных кислот в организме. Окисление высших жирных кислот. Особенности окисления жирных кислот с нечётным числом углеродных атомов

«Свободными жирными кислотами» (СЖК) называют жирные кислоты, находящиеся в неэстерифицированной форме; иногда их называют неэстерифицированными жирными кислотами (НЖК). В плазме крови длинноцепочечные СЖК образуют комплекс с альбумином, а в клетке - с белком, связывающим жирные кислоты, который называют Z-белком; фактически они никогда не бывают свободными. Короткоцепочечные жирные кислоты лучше растворяются в воде и находятся либо в виде неионизированной кислоты, либо в виде аниона жирной кислоты.

Активация жирных кислот

Так же как и в случае метаболизма глюкозы, жирная кислота прежде всего должна превратиться в активное производное в результате реакции, протекающей с участием АТР, и только после этого она способна взаимодействовать с ферментами, катализирующими дальнейшее превращение. В процессе окисления жирных кислот эта стадия является единственной, требующей энергии в виде АТР. В присутствии АТР и кофермента А фермент ацил-СоА-синтетаза (тиокиназа) катализирует превращение свободной жирной кислоты в «активную жирную кислоту» или ацил-СоА, которое осуществляется за счет расщепления одной богатой энергией фосфатной связи.

Присутствие неорганической пирофосфатазы, которая расщепляет богатую энергией фосфатную связь в пирофосфате, обеспечивает полноту протекания процесса активации. Таким образом, для активации одной молекулы жирной кислоты в итоге расходуются две богатые энергией фосфатные связи.

Ацил-СоА-синтетазы находятся в эндоплазмати-ческом ретикулуме, а также внутри митохондрий и на их наружной мембране. В литературе описан ряд ацил-СоА-синтетаз; они специфичны к жирным кислотам с определенной длиной цепи.

Роль карнитина в окислении жирных кислот

Карнитин является широко распространенным соединением,

особенно много его в мышцах. Он образуется из лизина и метионина в печени и почках. Активация низших жирных кислот и их окисление могут происходить в митохондриях независимо от карнитина, однако длинноцепочечные ацил-СоА-производные (или СЖК) не могут проникать в митохондрии и окисляться, если предварительно не образуют ацилкарнитин-производных. На наружной стороне внутренней мембраны митохондрий имеется фермент карнитин-пальмитоилтрансфераза I, который переносит длинноцепочечные ацильные группы на карнитин с образованием ацилкарнитина; последний способен проникать в митохондрии, где находятся ферменты, катализирующие процесс (-окисления.

Возможный механизм, объясняющий участие карнитина в окислении жирных кислот в митохондриях, приведен на рис. 23.1. Кроме того, в митохондриях находится другой фермент - карнитин-ацетилтрансфераза, который катализирует перенос короткоцепочечных ацильных групп между СоА и карнитином. Функция этого фермента пока не ясна.

Рис. 23.1. Роль карнитина в переносе длинноцепочечных жирных кислот через внутреннюю мембрану митохондрий. Длиннопепочечный ацил-СоА не способен проходить через внутреннюю мембрану митохондрий, в то время как такой способностью обладает ацилкарнитин, образую цийся при Действии карнитин-пальмитонлтрансферазы I. Карнитин-ацилкарнитин-фанслоказа является транспортной системой. осуществляющей перенос молекулы ацилкарнитина через внутреннюю мембрану митохондрии, сопряженный с выходом мопскулы свободного карнитина. Затем при действии карнитин-пальмитоилтрансферазы 11, локализованной на внутренней поверхности внутренней мембраны митохондрии, ацилкарнитин взаимодействует с СоА. В результате в митохондриальном матриксе вновь образуется ацил-СоА. а карнитин высвобождается.

Возможно,

он облегчает транспорт ацетильных групп через мембрану митохондрий.

b-Окисление жирных кислот

Общее представление дает рис. 23.2. При 13-окислении жирных кислот 2 атома углерода одновременно отщепляются от карбоксильного конца молекулы ацил-СоА. Углеродная цепь разрывается

Рис. 23.2. Схема -окисления жирных кислот.

между атомами углерода в положениях , откуда и возникло название -окисление. Образующиеся двухуглеродные фрагменты представляют собой ацетил-СоА. Так, в случае пальмитоил-СоА образуется 8 молекул ацетил-СоА.

Последовательность реакций

Ряд ферментов, известных под общим названием «оксидазы жирных кислот», находятся в митохондриальном матриксе в непосредственной близости от дыхательной цепи, локализованной во внутренней мембране митохондрий. Эта система катализирует окисление ацил-СоА до ацетил-СоА, которое сопряжено с фосфорилированием ADP до АТР (рис. 23.3).

После проникновения ацильного фрагмента через мембрану митохондрий при участии карнитиновой транспортной системы и переноса ацильной группы от карнитина на происходит отщепление двух атомов водорода от углеродных атомов в положениях катализируемое ацил-СоА-дегидрогеназои. Продуктом этой реакции является . Фермент представляет собой флавопротеин, его простетической группой служит FAD. Окисление последнего в дыхательной цепи митохондрий происходит при участии другого флавопротеина. названного электронпереносящим флавопротеином [см. с. 123). Далее происходит гидратация двойной связи, в результате чего образуется 3-гидроксиацил-СоА. Эта реакция катализируется ферментом А2-еноил-СоА-гидратазой. Затем 3-гидроксиацил-ОоА дегидрируется по 3-му атому углерода с образованием 3-кетоацил-СоА; эта реакция катализируется 3-гидроксиацил-СоА-дегидрогеназой при,участии в качестве кофермента NAD. 3-Кетоацил-СоА расщепляется между вторым и третьим атомами углерода 3-кетотиолазой или ацетил-СоА-ацнлтрансферазой с образованием ацетил-СоА- и ацил-СоА-производного, которое на 2 атома углерода короче исходной молекулы ацил-СоА. Это тиолитическое расщепление требует участия еще одной молекулы Образующийся укороченный ацил-СоА вновь вступает в цикл Р-окисления, начиная с реакции 2 (рис. 23.3). Таким путем длинноцепочечные жирные кислоты могут полностью расщепляться до ацетил-СоА (С2-фрагментов); последние в цикле лимонной кислоты, который протекает в митохондриях, окисляются до

Окисление жирных кислот с нечетным числом атомов углерода

b-Окисление жирных кислот с нечетным числом атомов углерода заканчивается на стадии образования трехуглеродного фрагмента - пропионил-СоА, который затем превращается в являющийся интермедиатом цикла лимонной кислоты (см. также рис. 20.2).

Энергетика процесса окисления жирных кислот

В результате переноса электронов по дыхательной цепи от восстановленного флавопротеина и NAD синтезируется по 5 богатых энергией фосфатных связей (см. гл. 13) на каждые 7 (из 8) молекул ацетил-СоА, образующихся при b-окислении пальмитиновой кислоты Всего образуется 8 молекул ацетил-СоА, и каждая из них, проходя через цикл лимонной кислоты, обеспечивает синтез 12 богатых энергией связей. Всего в расчете на молекулу пальмитата по этому пути генерируется 8 х 12 = 96 богатых энергией фосфатных связей. Если учесть две связи, необходимые для активации

(см. скан)

Рис. 23.3. Р Окисление жирных кислот. Длинноцепочечный ацит СоА последовательно укорачивается, проходя цикт за циклом ферментативные реакции 2-5; в результате каждого цикла происходит отщепление ацетил-СоА, катализируемое тиолазой (реакция 5). Когда остается четырехуглеродный ацильный радикал, то из него в результате реакции 5 образуются две молекулы ацетил-СоА.

жирной кислоты, то в общей сложности получим 129 богатых энергией связей на 1 моль или кДж. Поскольку свободная энергия сгорания пальмитиновой кислоты составляет то на долю энергии, запасаемой в виде фосфатных связей при окислении жирной кислоты, приходится около 40%.

Окисление жирных кислот в пероксисомах

В пероксисомах -окисление жирных кислот происходит в модифицированном виде. Продуктами окисления в данном случае являются ацетил-СоА и , последняя образуется на стадии, катализируемой связанной с флавопротеином дегидрогеназой. Этот путь окисления непосредственно не сопряжен с фосфорилированием и образованием АТР, но он обеспечивает расщепление жирных кислот с очень длинной цепью (например, ); он включается при диете, богатой жирами, или приеме гиполипидемических лекарственных препаратов, таких, как клофибрат. Ферменты пероксисом не атакуют жирные кислоты с короткими цепями, и процесс Р-окисления останавливается при образовании октаноил-СоА. Октаноильные и ацетильные группы удаляются затем из пероксисом в виде октаноилкарнитина и ацетилкарнитина и окисляются в митохондриях.

а- и b-Окисление жирных кислот

Окисление является основным путем катаболизма жирных кислот. Однако недавно было обнаружено, что в тканях мозга происходит -окисление жирных кислот, т. е. последовательное отщепление одноуглеродных фрагментов от карбоксильного конца молекулы. В этом процессе участвуют интермедиаты, содержащие он не сопровождается образованием богатых энергией фосфатных связей.

Окисление жирных кислот в норме весьма незначительно. Этот тип окисления, катализируемый гидроксилазами при участии цитохрома с. 123), протекает в эндоплазматическом -Группа превращается в --группу, которая затем окисляется до -СООН; в результате образуется дикарбоновая кислота. Последняя расщепляется путем Р-окисления обычно до адипиновой и субериновой кислот, которые затем удаляются с мочой.

Клинические аспекты

Кетоз развивается при высокой скорости окисления жирных кислот в печени, особенно в тех случаях, когда оно происходит на фоне недостатка углеводов (см. с. 292). Подобное состояние возникает при приеме пищи, богатой жирами, голодании, сахарном диабете, кетозе у лактирующих коров и токсикозе беременности (кетозе) у овец. Ниже приводятся причины, вызывающие нарушение процесса окисления жирных кислот.

Недостаток карнитина встречается у новорожденных, чаще всего недоношенных детей; он обусловлен либо нарушением биосинтеза карнитина; либо его «утечкой» в почках. Потери карнитина могут происходить при гемодиализе; больные, страдающие органической ацидурией, теряют большое количество карнитина, который экскретируется из организма в форме конъюгатов с органическими кислотами. Для восполнения потерь этого соединения некоторые пациенты нуждаются в особой диете, включающей продукты, содержащие карнитин. Признаками и симптомами недостатка карнитина являются приступы гипогликемии, возникающие из-за снижения глюконеогенеза в результате нарушения процесса - окисления жирных кислот, уменьшение образования кетоновых тел, сопровождающееся повышением содержания СЖК в плазме крови, мышечная слабость (миастения), а также накопление липидов. При лечении внутрь принимают препарат карнитина. Симптомы недостатка карнитина очень сходны с симптомами синдрома Рейе (Reye), при котором, однако, содержание карнитина является нормальным. Причина синдрома Рейе пока неизвестна.

Снижение активности карнитинпальмитоилтрансферазы печени приводит к гипогликемии и понижению содержания кетоновых тел в плазме крови, а снижение активности карнитин-пальмитоилтраисферазы мышц - к нарушению процесса окисления жирных кислот, в результате чего периодически возникает мышечная слабость и развивается миоглобинурия.

Ямайская рвотная болезнь возникает у людей после употребления в пищу незрелых плодов аки (Blig-hia sapida), которые содержат токсин гипоглицнн, инактивирующий ацил-СоА-дегидрогеназу, в результате чего ингибируется процесс -окисления.

При дикарбоновой ацидурии происходит экскреция кислот и развивается гипогликемия, не связанная с повышением содержания кетоновых тел. Причиной данного заболевания является отсутствие в митохондриях ацил-СоА-дегидрогеназы среднецепочечных жирных кислот. При этом нарушается -окисление и усиливается -окисление длинноцепочечных жирных кислот, которые укорачиваются до среднецепочечных дикарбоновых кислот, выводимых из организма.

Болезнь Рефсума является редким неврологическим заболеванием, которое вызывается накоплением в тканях фитановой кислоты, образующейся из фитола; последний входит в состав хлорофилла, поступающего в организм с продуктами растительного происхождения. Фитановая кислота содержит метальную группу у третьего атома углерода, это блокирует ее -окисление. В норме эта метильная группа

(см. скан)

Рис. 23.4. Последовательность реакций окисления ненасыщенных жирных кислот на примере, линолевой кислоты. -Жирные кислоты либо жирные кислоты, образующие вступают на данный путь на стадии указанной на схеме.

удаляется при а-окислении, но у людей, страдающих болезнью Рефсума, имеется врожденное нарушение системы а-окисления, что приводит к накоплению фитановой кислоты в тканях.

Синдром Цельвегера (Zellweger) или цереброгепаторенальный синдром является редким наследственным заболеванием, при котором во всех тканях отсутствуют пероксисомы. У больных, страдающих синдромом Цельвегера, в мозгу накапливаются кислоты, поскольку из-за отсутствия пероксисом у них не происходит процесс окисления длинноцепочечных жирных кислот.

Окисление ненасыщенных жирных кислот

-окислении.

Перекисное окисление полиненасыщенных жирных кислот в микросомах

NADPH-зависимое перекисное окисление ненасыщенных жирных кислот катализируется ферментами, локализованными в микросомах (см. с. 124). Антиоксиданты, например БГТ (бутилированный гидрокситолуол) и а-токоферол (витамин Е), ингибируют перекисное окисление липидов в микросомах.

ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ - алифатические карбоновые кислоты, многие из которых входят в состав животных и растительных жиров; в организме животных и в растениях свободные Ж. к. и Ж. к., входящие в состав липидов, выполняют чрезвычайно важную функцию - энергетическую и пластическую. Ненасыщенные Ж. к. участвуют в организме человека и животных в биосинтезе особой группы биологически активных веществ - простагландинов (см.). Содержание свободных и эфирносвязанных Ж. к. в сыворотке крови служит дополнительным диагностическим тестом при ряде заболеваний. Ж. к. широко используются для приготовления различных мыл, в производстве каучука и резиновых изделий, лаков, эмалей и олиф.

В зависимости от числа карбоксильных групп в молекуле различают одно-, двух- и многоосновные Ж. к., а по степени насыщенности углеводородного радикала - насыщенные (предельные) и ненасыщенные (непредельные) Ж. к. По числу углеродных атомов в цепи Ж. к. делятся на низшие (С1-С3), средние (С4-С9) и высшие (С10-С26)- Насыщенные Ж. к. имеют общую молекулярную формулу C n H 2 n O 2 . Общая формула ненасыщенных Ж. к. зависит от числа содержащихся в них двойных или тройных связей.

Для обозначения Ж. к. используют рациональную и систематическую номенклатуру; кроме того, многие Ж. к. имеют исторически сложившиеся названия. По рациональной номенклатуре все Ж. к. рассматривают как производные уксусной к-ты, в молекуле к-рой атом водорода метильной группы замещен углеводородным радикалом. По систематической номенклатуре название Ж. к. происходит от названия углеводорода, молекула к-рого построена из того же числа атомов углерода, включая углерод карбоксильной группы, что и молекула Ж. к. (напр., пропан - пропановая к-та, этан - этановая к-та, гексан - гексановая к-та и т. д.). В названии ненасыщенных Ж. к. указывается число двойных связей (моно-, ди-, три-и т. д.) и прибавляется окончание «еновая». Нумерация атомов углерода Ж. к. начинается с углерода карбоксильной (СООН-) группы и обозначается араб, цифрами. Ближайший к COOH-группе C-атом обозначается как альфа, соседний с ним - бета и концевой атом углерода в углеводородном радикале - омега. Двойную связь в молекуле Ж. к. обозначают символом Δ или просто приводят номер углеродного атома, у к-рого расположена двойная связь с указанием цис- или транс-конфигурации цепи. Некоторые наиболее распространенные Ж. к. и их тривиальные, рациональные и систематические названия приведены в таблице 1.

Физические свойства

Низшие Ж. к. представляют собой летучие жидкости с резким запахом, средние - масла с неприятным прогорклым запахом, высшие - твердые кристаллические вещества, практически лишенные запаха.

С водой смешиваются во всех отношениях только муравьиная кислота (см.), уксусная кислота (см.) и пропионовая к-та; у более высоких членов ряда Ж. к. растворимость быстро уменьшается и, наконец, становится равной нулю. В спирте и эфире Ж. к. растворимы хорошо.

Температуры плавления в гомологическом ряду Ж. к. возрастают, но неравномерно. Ж. к. с четным числом C-атомов плавятся при более высокой температуре, чем следующие за ними Ж. к., имеющие на один C-атом больше (табл. 2). В обоих этих рядах (с четным и нечетным числом C-атомов) разность температур плавления двух следующих друг за другом членов постепенно уменьшается.

Такое своеобразное различие между Ж. к. с четным и нечетным числом С-атомов в молекуле проявляется не только в температурах плавления, но в нек-рой степени в хим. и даже в их биол, свойствах. Так, Ж. к. с четным числом C-атомов распадаются, по данным Г. Эмбдена, при кровоизлиянии в печени до ацетона, а Ж. к. с нечетным числом C-атомов - не распадаются.

Ж. к. сильно ассоциированы и даже при температурах, превышающих их температуру кипения, показывают вдвое больший мол. вес, чем это следует из их формулы. Эта ассоциация объясняется возникновением водородных связей между отдельными молекулами Ж. к.

Химические свойства

Химические свойства Ж. к. определяются свойствами их COOH-групп и углеводородного радикала. В COOH-группе связь O-H ослаблена за счет смещения электронной плотности в двойной C=O связи к кислороду, и поэтому протон может быть легко отщеплен. Это приводит к появлению стабильного аниона к-ты:

Сродство карбонилового остатка к электронам может быть частично удовлетворено за счет соседней метиленовой группы, водородные атомы к-рой наиболее активны по сравнению с остальными. Константа диссоциации COOH-группы Ж. к. равна 10 -4 -10 -5 М, т. е. ее величина гораздо ниже, чем у неорганических к-т. Наиболее сильной из Ж. к. является муравьиная к-та. COOH-группа Ж. к. обладает способностью реагировать в водных р-рах с щелочноземельными металлами. Соли высших Ж. к. с этими металлами называются мылами (см.). Мыла обладают свойствами поверхностно-активных веществ - детергентов (см.). Натриевые мыла твердые, калиевые - жидкие. Гидроксил COOH-групп Ж. к. может быть легко замещен на галоген с образованием галогенангидридов, которые широко используются в органических синтезах. При замещении галогена остатком другой к-ты образуются ангидриды Ж. к., при замещении остатком спирта - их сложные эфиры, аммиаком - амиды, гидразином - гидразиды. Наиболее распространены в природе сложные эфиры трехосновного спирта глицерина и высших Ж. к. - жиры (см.). Водород альфа-углеродного атома Ж. к. может быть легко замещен галогеном с образованием галогенсодержащих Ж. к. Непредельные Ж. к. могут существовать в виде цис- и транс-изомеров. Большинство природных ненасыщенных Ж. к. имеют цис-конфигурацию (см. Изомерия). Степень ненасыщенности Ж. к. определяют йодометрическим титрованием двойных связей. Процесс превращения ненасыщенных Ж. к. в насыщенные получил название гидрогенизации, обратный процесс- дегидрогенизации (см. Гидрогенизация).

Природные Ж. к. получают путем гидролиза жиров (их омыления) с последующей дробной перегонкой или хроматографическим разделением освободившихся Ж. к. Неприродные Ж. к. получают путем окисления углеводородов; реакция протекает через стадию образования гидроперекисей и кетонов.

Окисление жирных кислот

Как энергетический материал Ж. к. используются в процессе бета-окисления. В 1904 г. Ф. Кнооп выдвинул гипотезу, объясняющую механизм окисления Ж. к. в животном организме.

Эта гипотеза была построена на основании установления природы конечных продуктов обмена, выделяемых с мочой, после введения животным co-фенил замещенных Ж. к. В опытах Ф. Кноопа введение животным фенильных замещенных Ж. к., содержащих четное число С-атомов, всегда сопровождалось выделением с мочой фенил уксусной к-ты, а содержащих нечетное число С-атомов - выделением бензойной к-ты. На основании этих данных Ф. Кнооп предположил, что окисление молекулы Ж. к. происходит путем последовательного отсечения от нее двууглеродных фрагментов со стороны карбоксильной группы (схема 1):

Гипотеза Ф. Кноопа, получившая название теории бета-окисления, является основой современных представлений о механизме окисления Ж. к. В развитии этих представлений важную роль сыграли следующие методы и открытия: 1) введение радиоактивной метки (14 C) в молекулу Ж. к. для изучения их обмена; 2) установление Муньо (Munoz) и Лелуаром (L. F. Leloir) факта, что для окисления Ж. к. клеточными гомогенатами требуются те же самые кофакторы, что и для окисления пирувата (неорганический фосфат, ионы Mg 2+ , цитохром с, АТФ и какой-либо субстрат цикла Трикарбоновых к-т - сукцинат, фумарат и т. п.); 3) установление факта, что окисление Ж. к., как и субстратов цикла Трикарбоновых к-т (см. Трикарбоновых кислот цикл), протекает только в митохондриях клетки [Ленинджер (A. L. Lehninger) и Кеннеди (Е. P. Kennedy)]; 4) установление роли карнитина в транспорте Ж. к. из цитоплазмы в митохондрии; 5) открытие Ф. Липманном и Ф. Линеном кофермента А; 6) выделение из животных тканей в очищенном виде мультифермент-ного комплекса, ответственного за окисление Ж. к.

Процесс окисления Ж. к. в общих чертах складывается из следующих этапов.

Свободная Ж. к. независимо от длины углеводородной цепи является метаболически инертной и не может подвергаться тем или иным превращениям, в т. ч. окислению, пока она не будет активирована.

Активация Ж. к. протекает в цитоплазме клетки, при участии АТФ, восстановленного КоА (KoA-SH) и ионов Mg 2+ .

Реакция катализируется ферментом тиокиназой:

В результате этой реакции образуется ацил-КоА, являющийся активной формой Ж. к. Выделено и изучено несколько тиокиназ. Одна из них катализирует активацию Ж. к. с углеводородной цепью длиной от C2 до C3, другая - от C4 до С12, третья - от C10 до C22.

Транспорт внутрь митохондрий. Коэнзимная форма Ж. к., так же как и свободные Ж. к., не обладает способностью проникать внутрь митохондрий, где собственно и протекает их окисление.

Установлено, что перенос активной формы Ж. к. в митохондрии осуществляется при участии азотистого основания карнитина. Соединяясь с Ж. к. при помощи фермента ацилкарнитиновой трансферазы, карнитин образует ацилкарнитин, обладающий способностью проникать внутрь митохондриальной мембраны.

В случае пальмитиновой к-ты, напр., образование пальмитил-карнитина представляется следующим образом:

Внутри митохондриальной мембраны при участии КоА и митохондриальной пальмитил-карнитиновой трансферазы происходит обратная реакция - расщепление пальмитил-карнитина; при этом карнитин возвращается в цитоплазму клетки, а активная форма пальмитиновой к-ты пальмитил-КоА переходит внутрь митохондрий.

Первая ступень окисления . Внутри митохондрий при участии дегидрогеназ Ж. к. (ФАД-содержащих ферментов) начинается окисление активной формы Ж. к. в соответствии с теорией бета-окисления.

При этом ацил-КоА теряет два водородных атома в альфа- и бета-положении, превращаясь в ненасыщенный ацил-КоА:

Гидратация . Ненасыщенный ацил-КоА присоединяет молекулу воды при участии фермента еноил-гидратазы, в результате чего образуется бета-гидроксиацил-КоА:

Вторая ступень окисления Ж. к., так же как первая, протекает путем дегидрирования, но в этом случае реакцию катализируют НАД-содержащие дегидрогеназы. Окисление происходит по месту бета-углеродного атома с образованием в этом положении кетогруппы:

Завершающим этапом одного полного цикла окисления является расщепление бета-кетоацил-КоА путем тиолиза (а не гидролиза, как предполагал Ф. Кнооп). Реакция протекает при участии КоА и фермента тиолазы. Образуется укороченный на два углеродных атома ацил-КоА и освобождается одна молекула уксусной к-ты в виде ацетил-КоА:

Ацетил-КоА подвергается окислению в цикле Трикарбоновых к-т до CO 2 и H 2 O, а ацил-КоА снова проходит весь путь бета-окисления, и так продолжается до тех пор, пока распад все укорачивающегося на два углеродных атома ацил-КоА не приведет к образованию последней частицы ацетил-КоА (схема 2).

При бета-окислении, напр, пальмитиновой к-ты, повторяются 7 циклов окисления. Поэтому общий итог ее окисления может быть представлен формулой:

C 15 H 31 COOH + АТФ + 8KoA-SH + 7HАД + 7ФАД + 7H 2 O -> 8CH 3 CO-SKoA + АМФ + 7НАД-H 2 + 7ФАД-H 2 + пирофосфат

Последующее окисление 7 молекул НАД-H 2 дает образование 21 молекулы АТФ, окисление 7 молекул ФАД-H 2 - 14 молекул АТФ и окисление 8 молекул ацетил-КоА в цикле Трикарбоновых кислот - 96 молекул АТФ. С учетом одной молекулы АТФ, потраченной в самом начале на активацию пальмитиновой к-ты, общий энергетический выход при полном окислении одной молекулы пальмитиновой к-ты в условиях животного организма составит 130 молекул АТФ (при полном окислении молекулы глюкозы образуется лишь 38 молекул АТФ). Т. к. изменение свободной энергии при полном сгорании одной молекулы пальмитиновой к-ты составляет - 2338 ккал, а богатая энергией фосфатная связь АТФ характеризуется величиной 8 ккал, нетрудно подсчитать, что примерно 48% всей потенциальной энергии пальмитиновой к-ты при ее окислении в организме используется для ресинтеза АТФ, а оставшаяся часть, по-видимому, теряется в виде тепла.

Небольшое количество Ж. к. подвергается в организме омега-окислению (окислению по месту метильной группы) и альфа-окислению (по месту второго C-атома). В первом случае образуется дикарбоновая к-та, во втором - укороченная на один углеродный атом Ж. к. Оба вида окисления протекают в микросомах клетки.

Синтез жирных кислот

Поскольку любая из реакций окисления Ж. к. является сама по себе обратимой, было выдвинуто предположение, что биосинтез Ж. к. представляет собой процесс, обратный их окислению. Так считалось до 1958 г., пока не было установлено, что в экстрактах печени голубя синтез Ж. к. из ацетата мог протекать только в присутствии АТФ и бикарбоната. Бикарбонат оказался абсолютно необходимым компонентом, хотя сам он в молекулу Ж. к. не включался.

Благодаря исследованиям Уокила (S. F. Wakil), Ф. Линена и Вагелоса (Р. В. Vagelos) в 60-70-х гг. 20 в. было установлено, что фактической единицей биосинтеза Ж. к. является не ацетил-КоА, а малонил-КоА. Последний образуется при карбоксилировании ацетил-КоА:

Именно для карбоксилирования ацетил-КоА и требовались бикарбонат, АТФ, а также ионы Mg2+. Фермент, катализирующий эту реакцию, ацетил-КоА - карбоксилаза содержит в качестве простетической группы биотин (см.). Авидин, ингибитор биотина, угнетает эту реакцию, как и синтез Ж. к. в целом.

Суммарно синтез Ж. к., напр, пальмитиновой, при участии малонил-КоА может быть представлен следующим уравнением:

Как следует из этого уравнения, для образования молекулы пальмитиновой к-ты требуется 7 молекул малонил-КоА и только одна молекула ацетил-КоА.

Процесс синтеза Ж. к. детально изучен у Е. coli и некоторых других микроорганизмов. Ферментная система, именуемая синтетазой жирных кислот, состоит у Е. coli из 7 индивидуальных ферментов, связанных с так наз. ацилпереносящим белком (АПБ). АП Б выделен в чистом виде, и его первичная структура изучена. Мол. вес этого белка равен 9750. В его составе имеется фосфорилированный пантетеин со свободной SH-группой. АП Б не обладает ферментативной активностью. Его функция связана только с переносом ацильных радикалов. Последовательность реакций синтеза Ж. к. у Е. coli может быть представлена в следующем виде:

Далее цикл реакций повторяется, бета-кетокапронил-S-АПБ при участии НАДФ-H 2 восстанавливается в бета-гидроксикапронил-S-АПБ, последний подвергается дегидратации с образованием ненасыщенного гексенил-S-АПБ, который затем восстанавливается в насыщенный капронил-S-АПБ, имеющий углеродную цепь на два атома длиннее, чем бутирил-S-АПБ, и т. д.

Т. о., последовательность и характер реакций в синтезе Ж. к., начиная с образования бета-кетоацил-S-АПБ и кончая завершением одного цикла удлинения цепи на два C-атома, являются обратными реакциями окисления Ж. к. Однако пути синтеза и окисления Ж. к. не пересекаются даже частично.

В тканях животных не удалось обнаружить АПБ. Из печени выделен мультиферментный комплекс, содержащий все ферменты, необходимые для синтеза Ж. к. Ферменты этого комплекса настолько прочно связаны друг с другом, что все попытки изолировать их в индивидуальном виде не увенчались успехом. В комплексе имеются две свободные SH-группы, одна из которых, как и в АПБ, принадлежит фосфорилированному пантетеину, другая - цистеину. Все реакции синтеза Ж. к. протекают на поверхности или внутри этого мультиферментного комплекса. Свободные SH-группы комплекса (а возможно, и гидроксильная группа входящего в его состав серина) принимают участие в связывании ацетил-КоА и малонил-КоА, а во всех последующих реакциях пантетеиновая SH-группа комплекса выполняет такую же роль, как и SH-группа АПБ, т. е. участвует в связывании и переносе ацильного радикала:

Дальнейший ход реакций в животном организме точно такой же, как это представлено выше для Е. coli.

До середины 20 в. считалось, что печень является единственным органом, где происходит синтез Ж. к. Затем было установлено, что синтез Ж. к. происходит также в стенке кишечника, в легочной ткани, в жировой ткани, в костном мозге, в л актирующей молочной железе и даже в сосудистой стенке. Что касается клеточной локализации синтеза, то есть основания считать, что он протекает в цитоплазме клетки. Характерно, что в цитоплазме печеночных клеток синтезируется гл. обр. пальмитиновая к-та. Что касается других Ж. к., то основной путь их образования в печени заключается в удлинении цепи на основе уже синтезированной пальмитиновой кислоты или Ж. к. экзогенного происхождения, поступивших из кишечника. Таким путем образуются, напр., Ж. к., содержащие 18, 20 и 22 С-атома. Образование Ж. к. путем удлинения цепи происходит в митохондриях и микросомах клетки.

Биосинтез Ж. к. в животных тканях регулируется. Давно известно, что печень голодавших животных и животных, больных диабетом, медленно включает 14С-ацетат в Ж. к. То же самое наблюдалось и у животных, к-рым вводили избыточные количества жира. Характерно, что в гомогенатах печени таких животных медленно использовался для синтеза Ж. к. ацетил-КоА, но не малонил-КоА. Это послужило основанием предположить, что реакция, лимитирующая скорость процесса в целом, связана с активностью ацетил-КоА - карбоксилазы. Действительно, Ф. Линен показал, что длинно-цепочечные ацильные производные КоА в концентрации 10 -7 М ингибировали активность этой карбоксилазы. Т. о., само накопление Ж. к. оказывает тормозящее влияние на их биосинтез по механизму обратной связи.

Другим регулирующим фактором в синтезе Ж. к., по-видимому, является лимонная к-та (цитрат). Механизм действия цитрата также связывают с его влиянием на ацетил-КоА - карбоксилазу. В отсутствии цитрата ацетил-КоА - карбоксилаза печени находится в виде неактивного мономера с мол. весом 540 000. В присутствии же цитрата фермент превращается в активный тример, имеющий мол. вес ок. 1 800 000 и обеспечивающий 15- 16-кратное увеличение скорости синтеза Ж. к. Можно допустить, следовательно, что содержание цитрата в цитоплазме печеночных клеток оказывает регулирующее влияние на скорость синтеза Ж. к. Наконец, важное значение для синтеза Ж. к. имеет концентрация НАДФ-Н 2 в клетке.

Обмен ненасыщенных жирных кислот

Получены убедительные доказательства, что в печени животных стеариновая к-та может превращаться в олеиновую, а пальмитиновая - в пальмитоолеиновую к-ту. Эти превращения, протекающие в микросомах клетки, требуют наличия молекулярного кислорода, восстановленной системы пиридиновых нуклеотидов и цитохрома b5. В микросомах может также осуществляться превращение мононенасыщенных к-т в диненасыщенные, напр, олеиновой к-ты в 6,9-октадекадиеновую к-ту. Наряду с десатурацией Ж. к. в микросомах протекает и их элонгация, причем оба эти процесса могут сочетаться и повторяться. Таким путем, напр., из олеиновой к-ты образуются нервоновая и 5, 8, 11-эйкозатетраеновая к-ты.

Вместе с тем ткани человека и ряда животных потеряли способность синтезировать некоторые полиненасыщенные к-ты. К ним относятся линолевая (9,12-октадекадиеновая), линоленовая (6,9,12-октадекатриеновая) и арахидоновая (5, 8, 11, 14-эйкозатетраеновая) к-ты. Эти к-ты относят к категории незаменимых Ж. к. При длительном их отсутствии в пище у животных наблюдается отставание в росте, развиваются характерные поражения со стороны кожи и волосяного покрова. Описаны случаи недостаточности незаменимых Ж. к. и у человека. Линолевая и линоленовая к-ты, содержащие соответственно две и три двойные связи, а также родственные им полиненасыщенные Ж. к. (арахидоновая и др.) условно объединены в группу под названием «витамин F».

Биол, роль незаменимых Ж. к. прояснилась в связи с открытием нового класса физиологически активных соединений - простагландинов (см.). Установлено, что арахидоновая к-та и в меньшей степени линолевая являются предшественниками этих соединений.

Ж. к. входят в состав разнообразных липидов: глицеридов, фосфатидов (см.), эфиров холестерина (см.), сфинголипидов (см.) и восков (см.).

Основная пластическая функция Ж. к. сводится к их участию в составе липидов в построении биол, мембран, составляющих скелет животных и растительных клеток. В биол, мембранах обнаружены гл. обр. эфиры следующих Ж. к.: стеариновой, пальмитиновой, олеиновой, линолевой, линоленовой, арахидоновой и докозагексаеновой. Ненасыщенные Ж. к. липидов биол, мембран могут окисляться с образованием липидных перекисей и гидроперекисей - так наз. перекисное окисление ненасыщенных Ж. к.

В организме животных и человека легко образуются лишь ненасыщенные Ж. к. с одной двойной связью (напр., олеиновая к-та). Гораздо медленнее образуются полиненасыщенные Ж. к., большая часть которых поставляется в организм с пищей (эссенциальные Ж. к.). Существуют специальные жировые депо, из которых после гидролиза (липолиза) жиров Ж. к. могут быть мобилизованы на удовлетворение нужд организма.

Экспериментально показано, что питание жирами, содержащими большие количества насыщенных Ж. к., способствует развитию гиперхолестеринемии; применение же с пищей растительных масел, содержащих большие количества ненасыщенных Ж. к., способствует снижению содержания холестерина в крови (см. Жировой обмен).

Наибольшее внимание медицина уделяет ненасыщенным Ж. к. Установлено, что избыточное окисление их по перекисному механизму может играть существенную роль при развитии различных патол, состояний, напр, при радиационных повреждениях, злокачественных новообразованиях, авитаминозе Е, гипероксии, отравлении четыреххлористым углеродом. Один из продуктов перекисного окисления ненасыщенных Ж. к.- липофусцин - накапливается в тканях при старении. Смесь этиловых эфиров ненасыщенных Ж. к., состоящая из олеиновой к-ты (ок. 15%), линолевой к-ты (ок. 15%) и линоленовой к-ты (ок. 57%), так наз. линетол (см.), используется в профилактике и лечении атеросклероза (см.) и наружно - при ожогах и лучевых поражениях кожи.

В клинике наиболее широко применяются методы количественного определения свободных (неэтерифицированных) и эфирносвязанных Ж. к. Методы количественного определения эфирносвязанных Ж. к. основаны на превращении их в соответствующие гидроксамовые к-ты, которые, взаимодействуя с ионами Fe 3+ , образуют цветные комплексные соли.

В норме в плазме крови содержится от 200 до 450 мг% этерифицированных Ж. к. и от 8 до 20 мг% неэтерифицированных Ж. к. Повышение содержания последних отмечается при диабете, нефрозах, после введения адреналина, при голодании, а также при эмоциональном стрессе. Понижение содержания неэтерифицированных Ж. к. наблюдается при гипотиреозах, при лечении глюкокортикоидами, а также после инъекции инсулина.

Отдельные Ж. к.- см. статьи по их названию (напр., Арахидоновая кислота , Арахиновая кислота , Капроновая кислота , Стеариновая кислота и др.). См. также Жировой обмен , Липиды , Холестериновый обмен .

Таблица 1. НАЗВАНИЯ И ФОРМУЛЫ НЕКОТОРЫХ НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕННЫХ ЖИРНЫХ КИСЛОТ

Тривиальное название	Рациональное название
Неразветвленные насыщенные жирные кислоты (CnH2n+1COOH)
Муравьиная	Метановая
Уксусная	Этановая
Пропионовая	Пропановая
Масляная	Бутановая
Валериановая	Пентановая
Капроновая	Гексановая
Энантовая	Гептановая
Каприловая	Октановая
Пеларгоновая	Нонановая
Каприновая	Декановая
	Ундекановая
Лауриновая	Додекановая
	Тридекановая
Миристиновая	Тетрадекановая
	Пентадекановая
Пальмитиновая	Гексадекановая
Маргариновая	Гептадекановая
Стеариновая	Октадекановая
	Понадекановая
Арахиновая	Эйкозановая
	Генэйкозановая
Бегеновая	Докозановая
Лигноцериновая	Тетракозановая
Керотиновая	Гексакозановая
Монтановая	Октакозановая
Мелиссиновая	Триаконтановая	СН3(СН2)28СООН
Лацериновая	Дотриаконтановая	СН3(СН2)30СООН
	Разветвленные насыщенные жирные кислоты (CnH2n-1COOH)
Туберкулостеариновая	10-метилоктадекановая
Фтионовая	3, 13, 19-триметил-трикозановая
Неразветвленные мононенасыщенные жирные кислоты (CnH2n-1COOH)
Кротоновая
Капролеиновая	9-деценовая	CH2=CH(CH2)7COOH
Лауролеиновап	Дис-9-додеценовая	СН3СН2СН=СН(СН2)7СООН
	Дис-5-додеценовая	СН3(СН2)5СН=СН(СН2)3СООН
Миристолеиновая	Дис-9-тетрадеценовая	СН3(СН2)3СН=СН(СН2)7СООН
Пальм олеиновая	Дис-9-гексадеценовая	СН3(СН2)5СН=СН(СН2)7СООН
Олеиновая		СН3(СН2)7СН=СН(СН2)7СООН
Элаидиновая		СН3(СН2)7СН=СН(СН2)7СООН
Петрозелиновая		СН3(СН2)10СН=СН(СН2)4СООН
Петроселандовая		СН3(СН2)10СН=СН(СН2)4СООН
Вакценовая		СН3(СН2)5СН=СН(СН2)9СООН
Гадолеиновая	Дис-9-эйкозеновая	СН3(СН2)9СН=СН(СН2)7СООН
Цетолеиновая	Цис-11-докозеновая	СН3(СН2)9СН=СН(СН2)9СООН
Эруковая	Цис-13-докозеновая	СН3(СН2)7СН=СН(СН2)11СООН
Нервоновая	Цис-15-тетракозеновая	СН3(СН2)7СН=СН(СН2)13СООН
Ксименовая	17-гексакозеновая	СН3(СН2)7СН=СН(СН2)15СООН
Люмекеиновая	21-триаконтеновая	СН3(СН2)7СН=СН(СН2)19СООН
Неразветвленные полиненасыщенные жирные кислоты (CnH2n-xCOOH)
Линолевая
Линэлаидиновая		СН3(СН2)4СН=СНСН2СН=СН(СН2)7СООН
Линоленовая
Линоленэлаидиновая		СН3СН2СН=СНСН2СН=СНСН2СН=СН(СН2)7СООН
альфа-Элеостеариновая
бета-Элеостеариновая		СН3(СН2)3СН=СНСН=СНСН=СН(СН2)7СООН
гамма-Линоленовая		СН3(СН2)4СН=СНСН2СН=СНСН2СН=СН(СН2)4СООН
Пуницивая		СН3(СН2)3СН=СНСН=СНСН=СН(СН2)7СООН
Гомо-гамма-линоленовая	Цис- 8, 11, 14, 17-эйкозатриеновая	СН3(СН2)7СН=СНСН2СН=СНСН2СН=СН(СН2)3СООН
Арахидоновая	Цис-5, 8, 11, 14-эйкозатетраеновая	СН3(СН2)4СН=СНСН2СН==СНСН2СН=СНСН2СН=СН(СН2)3СООН
	Цис-8, 11, 14, 17-эйкозатетраеновая	СН3СН2СН=СНСН2СН=СНСН2СН=СНСН2СН=СН(СН2)6СООН
Тимнодоновая	4, 8, 12, 15, 18-эйкозапен-таеновая	СН3СН=СНСН2СН=СНСН2СН=СН(СН2)2СН=СН(СН2)2СН=СН(СН2)2СООН
Клупанодоновая	4, 8, 12, 15, 19-докозапентаеновая	СН3СН2СН=СН(СН2)2СН==СНСН2СН=СН(СН2)2СН=СН(СН2)2СН=СН(СН2)2СООН
	Цис-4, 7, 10, 13, 16, 19-докозагексаеновая	СН3(СН2СН=СН)6(СН2)2СООН
Низиновая	4, 8, 12, 15, 18, 21-тетракозагексаеновая	СН3СН2СН=СНСН2СН=СНСН2СН=СНСН2СН=СН(СН2)2СН=СН(СН2)2СН=СН(СН2)2СООН
Энантовая
Каприловая
Пеларгоновая
Каприновая
Ундециловая
Лауриновая
Тридециловая
Миристиновая
Пентадециловая
Пальмитиновая
Маргариновая
Стеариновая
Нонадециловая
Арахиновая
* При давлении 100 мм рт. ст.

Библиография: Владимиров Ю. А. и Арчаков А. И. Перекисное окисление липидов в биологических мембранах, М., 1972; Зиновьев А. А. Химия жиров, М., 1952; H ь ю с х о л м Э. и Старт К. Регуляция метаболизма, пер. с англ., М., 1977; ПерекалинВ. В. и Зонне С. А. Органическая химия, М., 1973; Biochemistry and methodology of lipids, ed. by A. R. Jonson a. J. B. Davenport, N. Y., 1971; Fatty acids, ed. by K. S. Markley, pt 1-3, N. Y.-L., 1960-1964, bibliogr.; Lipid metabolism, ed. by S. J. Wakil, N. Y.-L., 1970.

A. H. Климов, А. И. Арчаков.

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.

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 гидролизуется до двух молекул уксусной кислоты.

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 окислениежирных 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

За один цикл β-окисления образуется 1 молекула ацетил-СоА, окисление которого в цитратном цикле обеспечивает синтез 12 моль ATP . Кроме того, образуется 1 моль FADH 2 и 1 моль NADH+H , при окислении которых в дыхательной цепи синтезируется соответственно 2 и 3 моль ATP (в сумме 5).

Таким образом, при окислении, например, пальмитиновой кислоты (С16) происходит 7 циклов β-окисления, в результате которых образуется 8 моль ацетил-СоА, 7 моль FADH 2 и 7 моль NADH+H. Следовательно, выход ATP составляет 35 молекул в результате β-окисления и 96 ATP в результате цитратного цикла, что соответствует в сумме 131 молекул АТФ.

Для преобразования энергии, заключенной в жирных кислотах, в энергию связей АТФ существует метаболический путь окисления жирных кислот до СО 2 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 + + 7Н 2 O + 7HS-KoA → 8Ацетил-SКоА + 7ФАДН 2 + 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.

Ацил-SКоА-синтетазы находятся в эндоплазматическом ретикулуме, на наружной мембране митохондрий и внутри них. Существует широкий ряд синтетаз, специфичных к разным жирным кислотам.

Реакция активации жирной кислоты

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

Карнитин-зависимый транспорт жирных кислот в митохондрию

Карнитин синтезируется в печени и почках и затем транспортируется в остальные органы. Во внутриутробном периоде и в первые годы жизни значение карнитина для организма чрезвычайно велико. Энергообеспечение нервной системы детского организма и, в частности, головного мозга осуществляется за счет двух параллельных процессов: карнитин-зависимого окисления жирных кислот и аэробного окисления глюкозы. Карнитин необходим для роста головного и спинного мозга, для взаимодействия всех отделов нервной системы, ответственных за движение и взаимодействие мышц. Существуют исследования, связывающие с недостатком карнитина детский церебральный паралич и феномен "смерти в колыбели ".

Дети раннего возраста, недоношенные и дети с малой массой особен-но чувствительны к недостаточности карнитина. Эндогенные запасы у них быстро истощаются при различных стрессовых ситуациях (инфекционные заболевания, желудочно-кишечные расстройства, нарушения вскармливания). Биосинтез карнитина резко ограничен в связи с небольшой мышечной массой, а поступление с обычными пищевыми продуктами неспособно поддержать достаточный уровень в крови и тканях.

3. После связывания с карнитином жирная кислота переносится через мембрану транслоказой . Здесь на внутренней стороне 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 ФАДH 2 – 2,0.

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

Пример. Окисление пальмитиновой кислоты

• так как имеется 16 атомов углерода, то при β-окислении образуется 8 молекул ацетил-SКоА . Последний поступает в ЦТК, при его окислении в одном обороте цикла образуется 3 молекулы НАДН (7,5 АТФ), 1 молекула ФАДН 2 (1,5 АТФ) и 1 молекула ГТФ, что эквивалентно 10 молекулам АТФ. Итак, 8 молекул ацетил-SКоА обеспечат образование 8×10=80 молекул АТФ.
• для пальмитиновой кислоты число циклов β-окисления равно 7 . В каждом цикле образуется 1 молекула ФАДН 2 (1,5 АТФ) и 1 молекула НАДН (2,5 АТФ). Поступая в дыхательную цепь, в сумме они "дадут" 4 молекулы АТФ. Таким образом, в 7 циклах образуется 7×4=28 молекул АТФ.
• двойных связей в пальмитиновой кислоте нет .
• на активацию жирной кислоты идет 1 молекула АТФ, которая, однако, гидролизуется до АМФ, то есть тратятся 2 макроэргические связи или две АТФ .

Таким образом, суммируя, получаем 80+28-2 =106 молекул АТФ образуется при окислении пальмитиновой кислоты.

Триацилглицерины поэтапно расщепляется тканевыми липазами.

Ключевым ферментом липолиза является гормональнозависимая ТАГ-липаза. Образующиеся на этом этапе распада жиров глицерин и жирные кислоты окисляются в тканях с образованием энергии.

Различают несколько вариантов окисления жирных кислот: α - окисление, β - окисление, ω - окисление. Основным вариантом окисления жирных кислот является β - окисление. Оно наиболее активно протекает в жировой ткани, печени, почках и сердечной мышце.

Β - окисление заключается в постепенном отщеплении от жирной кислоты двух углеродных атомов в виде ацетил-КоА с освобождением энергии. Запас жирных кислот сосредоточен в цитозоле, где протекает активация жирных кислот с образованием ацил-КоА

Энергетическая эффективность бета - окисления жирных кислот складывается из энергии окисления ацетил-КоА в цикле Кребса и энергии, освобождающейся в самом бета-цикле. Энергия окисления жирной кислоты тем выше, чем длиннее её углеродная цепь. Количество молекул ацетил-КоА из данной жирной кислоты и количество образующихся из них молекул АТФ определяется по формулам:

n=N/2, где n-количество молекул ацетил-КоА, N- число атомов углерода в жирной кислоте.

Количество молекул АТФ за счёт окисления молекул ацетил-КоА = (N/2)*12

Число β - циклов окисления на один меньше, чем количество образующихся молекул ацетил-КоА, поскольку в последнем цикле масляная кислота за один цикл переходит в две молекулы ацетил-КоА, и рассчитывается по формуле

Количество β - циклов = (N/2)-1

Количество молекул АТФ в β - цикле рассчитывается, исходя из последующего окисления образовавшихся в нём НАДН 2 (3 АТФ) и ФАДН 2 (2 АТФ) по формуле

Количество молекул АТФ, образующихся в бета-циклах = ((N/2)-1)*5

2 макроэргические связи АТФ расходуются на активацию жирной кислоты

Суммарная формула для подсчёта выхода АТФ при окислении насыщенной жирной кислоты имеет вид: 17(N/2)-7.

При окислении жирных кислот с нечётным числом углеродных атомов образуется сукцинил-КоА, который вступает в цикл Кребса.

Окисление ненасыщенных жирных кислот на начальных стадиях представляет обычное бета - окисление до места двойной связи. Если эта двойная связь находится в бета - положении, то продолжается окисление жирной кислоты со второго этапа (минуя стадию восстановления ФАД→ ФАДН 2). Если двойная связь находится не бета - положении, то ферментами еноилтрансферазами связь перемещается в бета - положение. Таким образом, при окислении ненасыщенных жирных кислот образуется меньше энергии по формуле (теряется образование ФАДН2):

7(N/2)-7-2m , где m-число двойных связей.