Энергетический баланс окисления жирных кислот

Расчет выделяемой энергии при окислении жирной кислоты производится по формуле:

[4 (n/2 - 1) + n/2 × 10] - 2

где: 4 - число молекул АТФ, образуемое при одном акте b-окисления; n - число атомов углерода в жирной кислоте; n/2-1 - число актов b-окисления; n/2 - число молекул ацетил-КоА; 10 - число молекул АТФ при полном окислении ацетильной группы молекулы ацетил-КоА; - 2 – количество высокоэнергетических фосфатов, используемых на активацию жирной кислоты (при активации АТФ распадается на АМФ и пирофосфат).

По В.Эллиот и Д.Эллиот коэффициент полезного действия b-окисления жирных кислот равен 33%. Теоретически полное окисление 256 г пальмитиновой кислоты дает 45 кг АТФ. Разумеется, такого количества АТФ никогда не бывает из-за постоянного расходования АТФ на энергетические нужды организма.

Регуляция окисления жирных кислот

При регуляции окисления первостепенное значение имеет доступность жирных кислот. Поступление жирных кислот определяется содержанием жиров в пище и скоростью липолиза эндогенных липидов. β-гидроксиацил-КоА дегидрогеназа ингибируется высоким отношением [НАДН]/[НАД⁺]; тиолаза ингибируется ацетил-КоА.

Концентрация малонил-КоА, первого промежуточного продукта биосинтеза жирных кислот из ацетил-КоА, повышается, если поступает избыток углеводов с пищей; глюкоза не может быть окислена или депонирована в виде гликогена и превращается в жирные кислоты для синтеза триацилглицеролов. Малонил-КоА ингибирует карнитин-ацилтрансферазу I и, следовательно, ингибируется окисление жирных кислот.

Окисление глицерола

При липолизе триацилглицеролов жировых клеток или ХМ и ЛПОНП кроме жирных кислот образуется глицерол (глицерин). Глицерол свободно транспортируется кровью. В почках, печени, лактирующих молочных железах имеется фермент глицеролкиназа, который в цитозоле катализирует фосфорилирование глицерола в глицерол-3-фосфат.

Дальнейшие превращения глицеральдегид-3-фосфата (ГАФ) могут быть двоякими (рис.3):

1) По реакциям глюконеогенеза:

ДАФ + ГАФ ® Ф-1,6-БФ ® Ф-6-Ф ® Г-6-Ф ® глюкоза

2) По реакциям гликолиза:

ГАФ®1,3-БФГК®3-ФГК® 2-ФГК ® ФЭП ® пируват ® ацетил-КоА ® ЦТК

Рис. 3. Окисление глицерола

Энергетический баланс окисления глицерола до СО₂ и Н₂О:

- на стадии глицеролкиназы - 1 АТФ;

- на стадии a-глицерофосфатдегидрогеназы + 1,5 АТФ;

- на стадии дегидрогеназы ГАФ ® НАДН+Н⁺® + 2,5 АТФ;

- на стадии глицераткиназы + 1 АТФ субстратное

- на стадии пируваткиназы + 1 АТФ фосфорилирование;

- при окислительном декарбоксилировании пирувата в ацетил-КоА ® НАДН+Н⁺ ® + 2,5 АТФ

- окисление ацетил-КоА в ЦТК и сопряженных цепях переноса электронов ® + 10 АТФ. Итого: 18,5 - 1 = 17,5 АТФ, на две молекулы глицерола – 35 молекул АТФ.

Для синтеза липидов используется ацетил-КоА. Напомним, что основными источниками ацетил-КоА являются: 1) β-окисление жирных кислот; 2) окислительное декарбоксилирование пирувата;3)некоторые (кетогенные) аминокислоты.

Синтез жирных кислот

1.Жирные кислоты синтезируются из ацетил-КоА, который образуется из пирувата (распад углеводов пищи) или при катаболизме аминокислот (при их избыточном поступлении) и накапливаются в виде триацилглицеролов. Ацетил-КоА, образуемый при окислении жирных кислот, не является основным источником биосинтеза жирных кислот, поскольку существует реципрокная регуляция этих двух процессов.

Рис. 4. Упрощенная схема цитратного челночного механизма и образования НАДФН

2. Основное место синтеза – печень. Кроме того, жирные кислоты синтезируются во многих тканях: почки, мозг, молочная железа, жировая ткань.

3.Ферменты синтеза локализованы в цитозоле клеток в отличие от ферментов окисления жирных кислот, которые находятся в митохондриях.

4.Синтез жирных кислот происходит из ацетил-КоА.

5.Для синтеза жирных кислот необходимы НАДФН, АТФ, Mn²⁺, биотин и СО₂.

Синтез жирных кислот происходит в 3 этапа.

1) транспорт ацетил-КоА из митохондрий в цитозоль; 2) образование малонил-КоА; 3) удлинение жирной кислоты на 2 атома углерода за счет малонил-КоА до образования пальмитиновой кислоты.

1.Транспорт ацетил-КоАиз митохондрий в цитозоль осуществляется с помощью цитратного челночного механизма (рис. 4).

1.1. Цитратсинтаза катализирует реакцию взаимодействия оксалоацетата и ацетил-КоА с образованием цитрата.

1.2. Цитрат траспортируется в цитозоль с помощью специфической транспортной системы.

1.3. В цитозоле цитрат взаимодействует с HS-KoA и под действием цитратлиазы и АТФ образуется ацетил-КоА и оксалоацетат.

1.4. Оксалоацетат не может вернуться в митохондрии поскольку отсутствует специфический переносчик. Оксалоацетат восстанавливается до малата под действием НАД⁺-зависимой малатдегидрогеназы.

1.5. Малат декарбоксилируется НАДФ-зависимой малатдегидрогеназой (малик-фермент): Образующийся НАДФН+Н⁺ (50% потребности) используется для синтеза жирных кислот. Кроме этого генераторами НАДФН+Н⁺ (50%) являются пентозофосфатный путь и изоцитратдегидрогеназа.

1.6.Пируват транспортируетсяв митохондрии и под действием пируваткарбоксилазы с использованием АТФ и СО₂ образуется оксалоацетат.

2.Образование малонил-КоА.Ацетил-КоА карбоксилируется под действием ацетил-КоА-карбоксилазы.Это АТФ-зависимая реакция, для которой необходим витамин Н (биотин) и СО_2.

3.Удлинение жирной кислоты. Процесс протекает при участии мультиферментного синтазного комплекса. Он состоит из двух полипептидных цепей. Каждая полипептидная цепь содержит по 7 ферментов синтеза жирных кислот (ацетил-КоА-АПБ-трансацетилаза, малонил-КоА-АПБ-трансфераза, β-кетоацилАПБ-синтаза, β-кетоацил-АПБ-редуктаза, β-гидроксиацил-АПБ-дегидратаза, еноил-АПБ-редуктаза, тиоэстераза). Ферменты связаны между собой ковалентными связями. Ацилпереносящий белок (АПБ) является также частью полипептидной цепи, но это не фермент. Его функция связана только с переносом ацильных радикалов. В процессе синтеза важную роль играют SH-группы. Одна из них принадлежит 4-фосфопантетеину, входящему в состав АПБ и вторая - цистеину фермента кетоацил-синтазы. Первую называют центральной, а вторую периферической SH-группой.

Функциональная единица синтеза жирных кислот состоит из половины одного мономера, взаимодействующей с комплементарной половиной второго мономера. Следовательно, на синтазном комплексе одновременно синтезируются 2 жирные кислоты. Активной является только димерная форма комплекса. Перенос субстрата от фермента к ферменту происходит при участии АПБ.

9.1. Реакции синтеза.

1.При участии фермента ацетил-КоА-АПБ-трансацетилазы ацетильная группа ацетил-КоА переносится на SH-группу β-кетоацилсинтазы (периферическую); малонильная группа от малонил-КоА переносится на SH-группу АПБ под действием фермента малонил-КоА-АПБ-трансферазы (центральную).

2. Фермент β-кетоацил-АПБ-синтаза переносит ацетильный остаток с периферической SH-группы на остаток малонила. Это реакция конденсации. Энергия для нее освобождается при одновременном декарбоксилировании. Образуется β-кетоацил-АПБ.

3. При участии фермента β-кетоацил-АПБ-редуктазы с коферментом НАДФН, происходит восстановление оксогруппы в спиртовую и β-кетоацил-АПБ превращается в β-гидроксиацил-АПБ.

4. Фермент β-гидроксиацил-АПБ-дегидратаза удаляет Н₂О из β-гидроксиацил-АПБ и образуется еноил-АПБ.

5. Еноил-АПБ-редуктаза восстанавливает двойную связь с использованием НАДФН. Образуется ацил-АПБ(масляная кислота после первого цикла).

6.Если нужна масляная кислота (бутират), то тиоэстераза (деацилаза) отщепляет масляную кислоту с центральной SH-группы на цитоплазматический HS-КоА.

7. Если необходима жирная кислота с более длинной цепью, остаток масляной кислоты переносится на периферическую SH-группу, а к центральной SH-группе вновь переносится малонил-КоА и процесс присоединения 2-х углеродных атомов повторяется.

8. Этот процесс продолжается до образования пальмитиновой кислоты(часто весь комплекс называют пальмитатсинтазный комплекс). Она отщепляется тиоэстеразой и соединяется с цитоплазматическим HS-КоА. Полученный пальмитоил-КоА может ингибировать пальмитатсинтазу, вызывая диссоциацию комплекса на две полипептидных цепи.

Дальнейшая судьба пальмитоил-КоА двоякая: 1) участие в процессах эстерификации с образованием ацилглицеролов и эфиров холестерола; 2) дальнейшее удлинение цепи (элонгация и десатурация).

Удлинение жирной кислоты

Дальнейшее удлинение пальмитиновой кислоты может происходить с участием 2-х систем.

Митохондриальная системаудлинения жирной кислоты. Остаток пальмитиновой кислоты карнитином переносится в митохондрии, где происходит удлинение за счет присоединения ацетил-КоА по пути, обратному b-окислению. Для восстановления используется НАДФН.

Микросомальная системаудлинения жирной кислоты является более активной. Удлинение происходит в мембране эндоплазматического ретикулума за счет малонил-КоА. Напоминает функционирование синтазного комплекса в цитоплазме. Отличие состоит в том, что промежуточные продукты не связываются с АПБ.