Бета окисление жирных кислот. Окисление жирных кислот: процесс, особенности и формула

И дыхательной цепью , для преобразования энергии, заключенной в жирных кислотах, в энергию связей АТФ.

Окисление жирных кислот (β-окисление)

Элементарная схема β-окисления.

Этот путь называется β-окислением, так как 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.

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

Реакция активации жирной кислоты.

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-S-КоА. Ацил-S-КоА является высокоэнергетическим соединением. Необратимость реакции достигается гидролизом дифосфата на две молекулы фосфорной кислоты.

Карнитин-зависимый транспорт жирных кислот в митохондрию.

2. Ацил-S-КоА 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 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».

3. После связывания с карнитином жирная кислота переносится через мембрану транслоказой. Здесь на внутренней стороне мембраны фермент карнитин-ацилтрансфераза II вновь образует ацил-S-КоА который вступает на путь β-окисления.

Последовательность реакций β-окисления жирных кислот.

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.

Расчет энергетического баланса β-окисления

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 необразованных 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, 1 молекула ФАДН 2 и 1 молекула ГТФ, что эквивалентно 12 молекулам АТФ (см также Способы получения энергии в клетке). Итак, 8 молекул ацетил-S-КоА обеспечат образование 8×12=96 молекул АТФ.
• для пальмитиновой кислоты число циклов β-окисления равно 7. В каждом цикле образуется 1 молекула ФАДН 2 и 1 молекула НАДН. Поступая в дыхательную цепь, в сумме они «дадут» 5 молекул АТФ. Таким образом, в 7 циклах образуется 7×5=35 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 96+35-2 =129 молекул АТФ образуется при окислении пальмитиновой кислоты.

Окисление жирных кислот может быть патологически повышено или патологически снижено.

Увеличение скорости окисления жирных кислот, особенно при недостатке углеводов происходит:

1. При приеме богатой жирами пище.

2. При голодании.

3. При сахарном диабете.

В этом случае из ацетил-КоА, образующего при β-окислении жирных кислот в печени образуется большое количество кетоновых тел. Накопление кетоновых тел приводит к ацидозу и называется кетоз.

Снижение скорости окисления жирных кислот наблюдается при:

1. Недостатке карнитина. Наблюдается у новорожденных, чаще недоношенных детей. Обусловлено либо нарушением биосинтеза карнитина, либо его «утечкой» в почках.

Симптомы:

· приступы гипогликемии, возникающие из-за снижения глюконеогенеза в результате нарушения процесса окисления жирных кислот;

· уменьшения синтеза кетоновых тел, сопровождающееся повышением содержания свободных жирных кислот в плазме крови;

· миастения (мышечная слабость);

· накопление липидов.

Лечение: прием карнитина внутрь.

2. Снижении активности карнитин-пальмитоилтрансферазы.

В печени приводит к гипогликемии и понижению содержания кетоновых тел в плазме крови.

В мышцах - к нарушению процесса окисления жирных кислот, в результате чего возникает мышечная слабость и развивается миоглобинурия.

3. Дикарбоновой ацидурии.

Основной симптом - экскреция С 6 -С 10 -дикарбоновых кислот и развивается гипогликемия, не связанная с повышением кетоновых тел.

Этиология: отсутствие в митохондриях ацетил-КоА дегидрогеназы среднецепочечных жирных кислот, которые укорачиваются до среднецепочечных дикарбоновых кислот, выводимых из организма.

Возникает у людей после употребления незрелых плодов аки, которые содержат токсин гипоглицин, инактивирующий ацил-КоА-дегидрогеназу, в результате чего ингибируется процесс β-окисления.

5. Синдроме Цельвегера (цереброгепаторенальный синдром).

Является редким наследственным заболеванием, при котором во всех тканях отсутствует пероксисомы. У больных страдающих синдромом Цельвегера, в мозге накапливаются С 26 -С 28 -полиеновые кислоты, т.к. из-за отсутствия пероксисом у них не происходит процесс окисления длинноцепочечных жирных кислот.

6. Болезни Рефсума.

Редкое неврологическое заболевание. Связано с врожденным нарушением системы α-окисления, что приводит к накоплению в тканях фитановой кислоты, которая блокирует систему β-окисления.

Определение уровня общих липидов в плазме (сыворотке) крови по цветной реакции с сульфофосфованилиновым реактивом

Общие липиды - обобщенное понятие, включающее неэстерифицированные жирные кислоты, триглицериды, фосфолипиды, свободный и эстерифицированный холестерин, сфингомиелины.

Принцип метода: продукты распада ненасыщенных липидов образуют с реактивом (состоящим из серной, ортофосфорной кислот и ванилина) соединение, интенсивность окраски которого пропорциональна содержанию общих липидов в сыворотке крови.

Реактивы:

1. Концентрированная серная кислота;

2. Фосфорнованилиновая смесь. 4 объема концентрированной ортофосфорной кислоты смешивают с одним объемом 6 г/л раствора ванилина. Смесь хранят в посуде из темного стекла при комнатной температуре.

3. Эталонный раствор триолеина, 8 г/л.

Ход определения

К 0,02 мл сыворотки крови прибавляют 1,5 мл концентрированной серной кислоты. Содержимое перемешивают и помещают на 15 минут в кипящую водяную баню. После охлаждения гидролизата отмеривают 0,1 мл (контрольная проба 0,1 мл концентрированной серной кислоты), который переносят в другие пробирки, содержащие 1,5 мл фосфорнованилинового реактива. После перемешивания пробы инкубируют 50 минут в темном месте при комнатной температуре. Оптическую плотность пробы (А 1) и эталонного раствора (А 2) измеряют на фотоколориметре при длине волны 510-540 нм в кювете толщиной слоя 10 мм против контрольного раствора. Расчет производят по формуле: .

Нормальное содержание в сыворотке крови: 4 - 8 г/л.

Клинико-диагностическое значение. Изменения содержания в крови количественной и качественной составляющей данного показателя наблюдаются при многих заболеваниях и патологических состояниях, которые не рассматриваются в данном пособии. Применительно к мышечной деятельности наблюдается увеличение данного показателя после продолжительной физической нагрузки, что показывает степень включения липидного обмена в энергетическое обеспечение мышечной деятельности. При этом величина данного показателя обычно не выходит за референтные пределы. Более информативным является определение динамики сдвигов при физической нагрузке, составляющих данного показателя.

БИОСИНТЕЗ ЛИПИДОВ

Биосинтез липидов (липогенез) необходим для создания запасных форм. Биосинтез липидов начинается с биосинтеза жирных кислот.

Биосинтез жирных кислот

Система синтеза жирных кислот находится в растворимой цитоплазматической фракции многих органов и тканей, таких какпечень, почки, молочная железа, жировая ткань.

Биосинтез жирных кислот протекает с участием:

1. НАДФН∙Н + ;

5. ацетил-КоА в качестве субстрата и пальмитиновая кислота в качестве конечного продукта.

Особенности биосинтеза жирных кислот

Синтез жирных кислот не является простым обращением реакций β-окисления. Наиболее важными особенностями являются следующие:

1. Синтез жирных кислот протекает в цитоплазме, в отличие от распада который протекает в митохондриях.

2. Промежуточные продукты синтеза жирных кислот ковалентно связаны с сульфгидрильными группами ацилпереносящего белка (АПБ).

3. Многие ферменты синтеза жирных кислот у высших организмов и человека организованы в мультиферментный комплекс, называемый синтетазой жирных кислот.

4. Непосредственно ацетил-КоА используется только как затравка.

5. Растущая цепь жирной кислоты удлиняется путем непосредственного присоединения двухуглеродных компонентов, происходящих из ацетил-КоА. Активированным донором двухуглеродных компонентов на стадии элонгации служит малонил-КоА. Реакция элонгации запускается высвобождением СО 2 .

6. Роль восстановителя при синтезе жирной кислоты выполняет НАДФН·Н + .

7. Синтез жирной кислоты является циклическим процессом протекающим на поверхности синтетазы жирных кислот.

8. Элонгация под действием комплекса синтетазы жирных кислот останавливается на этапе образования пальмитата (С 16). Дальнейшая элонгация и введение двойных связей осуществляется другими ферментными системами.

Этапы биосинтеза жирных кислот

I этап - транспорт ацетил-КоА из митохондрий в цитоплазму

Жирные кислоты синтезируются в цитоплазме, а ацетил-КоА образуется из пирувата в митохондриях. Мембрана митохондрий не проницаема для ацетил-КоА, поэтому транспорт ацетил-КоА через мембрану обеспечивается специальными механизмами. Роль карнитина в транспорте ацетил-КоА не велика, так как он переносит только длинноцепочечные жирные кислоты. Данная проблема решается путем синтеза цитрата.

Митохондрия Цитоплазма

Ацетил-КоА + оксалоацетат ацетил-КоА + оксалоацетат + АДФ + Ф н

НО - С - СООН цитрат + АТФ + HSKoA

СН 2 - СООН

Рис. 20. Схема транспорта ацетил-КоА через мембрану митохондрий

Цитрат образуется в митохондриальном матриксе путем конденсации ацетил-КоА и оксалоацетата. Затем диффундирует в цитоплазму, где расщепляется цитратлиазой. Таким образом, ацетил-КоА и оксалоацетат переносятся из митохондрий в цитоплазму с использованием одной молекулы АТФ.

Источники НАДФН·Н + для биосинтеза жирных кислот

Оксалоацетат, образовавшийся в результате переноса ацетил-КоА в цитоплазму должен быть возвращен обратно в митохондрию. Данный процесс сопряжен с генерацией НАДФН·Н + . Реакция происходит в цитоплазме и протекает в 2 этапа:

1. Оксалоацетат + НАДН·Н + Малат + НАД +

МДГ (декарбоксилирующая)

2. Малат + НАДФ + Пируват + СО 2 + НАДФН·Н +

Образовавшийся пируват легко диффундирует в митохондрии, где он карбоксилируется в оксалоацетат под действием пируваткарбоксилазы (с затратой энергии АТФ).

Пируват + НСО 3 - + АТФ Оксалоацетат + АДФ + Ф н

Нормальное окисление жиров в организме тесно связано с циклом Кребса. Основной путь образования оксалоацетата - карбоксилирование ПВК. Для сгорания 1,5 г жирных кислот, требуется 1 г углеводов. Отсюда, среди биохимиков есть поговорка, что «жиры сгорают в пламени углеводов».

Оксалоацетат, который синтезировался в данной реакции, затем взаимодействует с ацетил-КоА с образованием цитрата, который окисляется в ЦТК.

Таким образом, на каждую молекулу ацетил-КоА, которая переходит из митохондрий в цитоплазму, образуется одна молекула НАДФН·Н + . Следовательно, при переходе 8 молекул ацетил-КоА необходимых для синтеза пальмитиновой кислоты, образуется 8 молекул НАДФН·Н + . Еще 6 молекул требуемых для этого процесса генерируются в пентозофосфатном пути.

II этап - образование малонил-КоА.

Является первой реакцией биосинтеза жирных кислот. Катализируется ферментом ацетил-КоА-карбоксилазой. Коферментом является биотин. Реакция заключается в карбоксилилировании ацетил-КоА, источником СО2 является бикарбонат.

C = O + HCO 3 - + АТФ Е– биотин CН 2 + АДФ+H 3 PO 4

ацетил - KоA малонил - KоA

Рис. 21. Карбоксилирование ацетил-КоА (коферментом ацетил-КоА-карбоксилазы является биотин)

Малонил-КоА, по сути, является активированным ацетил-КоА. Энергия запасается заранее в виде карбоксильной группы и освобождается при декарбоксилировании непосредственно при биосинтезе жирных кислот. В дальнейшем биосинтезе жирных кислот ацетил-КоА используется как затравка, а непосредственно синтез идет из малонил-КоА.

III этап - биосинтез жирных кислот.

Все реакции многостадийного окисления ускоряются специфическими ферментами. β-Окисление высших жирных кислот является универсальным биохимическим процессом, протекающим во всех живых организмах. У млекопитающих этот процесс происходит во многих тканях, в первую очередь в печени , почках и сердце . Ненасыщенные высшие жирные кислоты (олеиновая, линолевая, линоленовая и др.) предварительно восстанавливаются до предельных кислот.

Помимо β-окисления, которое является основным процессом деградации жирных кислот у животных и человека, существуют ещё α-окисление и ω-окисление. α-Окисление встречается как у растений , так и у животных, однако, весь процесс происходит в пероксисомах . ω-Окисление менее распространено среди животных (позвоночные), встречается главным образом у растений . Процесс ω-окисления происходит в эндоплазматическом ретикулуме (ЭР).

β-Окисление было открыто в 1904 году немецким химиком (Franz Knoop ) в опытах с кормлением собак различными жирными кислотами, в которых один атом водорода на концевом атоме ω-С углерода метильной группы -CH 3 был замещен на фенильный радикал -С 6 H 5 .

Францем Кноопом было выдвинуто 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 .

Теория β-окисления жирных кислот, предложенная Ф. Кноопом, в значительной мере послужила основой современных представлений о механизме окисления жирных кислот .

Жирные кислоты, которые образовались в клетке путём гидролиза триацилглицеридов или поступившие в неё из крови должны быть активированы, так как сами по себе они являются метаболическими инертными веществами, и вследствие этого не могут быть подвержены биохимическим реакциям, включая и окисление. Процесс их активирования происходит в цитоплазме при участии АТФ , кофермента A (HS-СoA) и ионов Mg 2+ . Реакция катализируется ферментом ацил-КоА-синтетазой жирных кислот с длинной цепью (Long-chain-fatty-acid-CоА ligase , КФ), процесс является эндергоническим , то есть протекает за счёт использования энергии гидролиза молекулы АТФ :

ацил-КоА-синтетазы находятся как в цитоплазме , так и в матриксе митохондрий. Эти ферменты отличаются по специфичности к жирным кислотам с различной длиной углеводородной цепи. Жирные кислоты с короткой и средней длиной цепи (от 4 до 12 атомов углерода) могут проникать в матрикс митохондрий путём диффузии . Активация этих жирных кислот происходит в матриксе митохондрий .

Жирные кислоты с длинной цепью, которые преобладают в организме человека (от 12 до 20 атомов углерода), активируются ацил-КоА-синтетазами, расположенными на внешней стороне внешней мембраны митохондрий.

Выделившийся в ходе реакции пирофосфат гидролизуется ферментом пирофосфатазой (КФ):

При этом происходит сдвиг равновесия реакции в сторону образования ацил-КоА .

Поскольку процесс активации жирных кислот происходит в цитоплазме, то далее необходим транспорт ацил-КоА через мембрану внутрь митохондрии.

Транспортировка жирных кислот с длинной цепью через плотную митохондриальную мембрану осуществляется посредством карнитина . В наружной мембране митохондрий находится фермент карнитинацилтрансфераза I (карнитин-пальмитоилтрансфераза I , CPT1, КФ), катализирующий реакцию с образованием ацилкарнитина (ацильная группа переносится с атома серы КоА на гидроксильную группу карнитина с образованием ацилкарнитина (карнитин-СOR)), который диффундирует через внутреннюю митохондриальную мембрану :

Образовавшийся ацилкарнитин проходит через межмембранное пространство к наружной стороне внутренней мембраны и транспортируется с помощью фермента карнитин-ацилкарнитин-транслоказы (CACT) .

После прохождения ацилкарнитина (карнитин-СOR) через мембрану митохондрии происходит обратная реакция - расщепление ацилкарнитина при участии КоА-SH и фермента митохондриальной карнитинацил-КоА-трансферазы или карнитинацилтрансферазы II (карнитин-пальмитоилтрансфераза II , CPT2, КФ):

Таким образом, ацил-КоА становится доступным для ферментов β-окисления. Свободный карнитин возвращается на цитоплазматическую сторону внутренней мембраны митохондрии той же транслоказой .

Процесс трансмембранного переноса жирных кислот может ингибироваться малонил-КоА .

В матриксе митохондрии происходит окисление жирных кислот в цикле Кнооппа - Линена. В нём участвуют четыре фермента, которые последовательно действуют на ацил-КоА. Конечным метаболитом данного цикла является ацетил-КоА . Сам процесс состоит из четырёх реакций.

Образовавшийся ацетил-КоА подвергается окислению в цикле Кребса, 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. ФАДH 2 и НАДH·H поступают прямо в дыхательную цепь .

Для полной деградации длинноцепочечной жирной кислоты цикл должен многократно повторяться, так, например, для стеарил-CоА (С 17 Н 35 СО~SКоА) необходимы восемь циклов .

В результате окисления жирных кислот с нечётным числом углеродных атомов образуются не только ацетил-КоА, ФАД H 2 и НАДH , но и одна молекула пропионил-КоА (C 2 H 5 -CO~SКоА).

При окислении жирных кислот, имеющих две (-С=C-C-C=C-) и более ненасыщенные связи, требуется ещё один дополнительный фермент β-гидроксиацил-КоА-эпимераза (КФ).

Скорость окисления ненасыщенных жирных кислот много выше, чем насыщенных, что обусловлено наличием двойных связей. Например, если взять за эталон скорость окисления насыщенной стеариновой кислоты , то скорость окисления олеиновой в 11, линолевой в 114, линоленовой в 170, а арахидоновой почти в 200 раз выше, чем стеариновой .

В результате переноса электронов по ЭТЦ от ФАД H 2 и НАДH синтезируется по 5 молекул АТФ (2 от ФАДH 2 , и 3 от НАДH). В случае окисления пальмитиновой кислоты проходит 7 циклов β-окисления (16/2-1=7), что ведёт к образованию 5 7=35 молекул АТФ. В процессе β-окисления пальмитиновой кислоты образуется n молекул ацетил-КоА, каждая из которых, при полном сгорании в цикле трикарбоновых кислот, даёт 12 молекул АТФ, а 8 молекул дадут 12 8 = 96 молекул АТФ.

Таким образом, всего при полном окислении пальмитиновой кислоты образуется 35+96=131 молекула АТФ. Однако с учётом одной молекулы АТФ , которая гидролизуется до АМФ , то есть тратятся 2 макроэргические связи или две АТФ, в самом начале на процесс активирования (образования пальмитоил-CоА) общий энергетический выход при полном окислении одной молекулы пальмитиновой кислоты в условиях животного организма составит 131-2=129 молекул .

Суммарное уравнение окисления пальмитиновой кислоты выглядит следующим образом:

Формула для расчёта общего количества АТФ которые генерируются в результате процесса β-окисления:

Энергетический расчёт β-окисления для некоторых жирных кислот представлен в виде таблицы.

Помимо β-окисления жирных кислот, происходящего в митохондриях существует и внемитохондриальное окисление. Жирные кислоты, имеющие бóльшую длину цепи (от С 20), не могут быть окислены в митохондриях из-за наличия плотной двойной мембраны, которая воспрепятствует процессу переноса их через межмембранное пространство. Поэтому окисление длиноцепочечных жирных кислот (С 20 -С 22 и более) происходит в пероксисомах . В пероксисомах процесс β-окисления жирных кислот протекает в модифицированном виде. Продуктами окисления в данном случае являются ацетил-КоА, октаноил-КоА и пероксид водорода Н 2 О 2 . Ацетил-КоА образуется на стадии, катализируемой ФАД-зависимой дегидрогеназой. Ферменты пероксисом не атакуют жирные кислоты с короткими цепями, и процесс β-окисления останавливается при образовании октаноил-КоА.

Данный процесс не сопряжён с окислительным фосфорилированием и генерацией АТФ и поэтому октаноил-КоА и ацетил-КоА переходят с КоА на карнитин и направляются в митохондрии, где окисляются с образованием АТФ .

Активация пероксисомального β-окисления происходит при избыточном содержании в потребляемой пищи жирных кислот начиная с С 20 , а также при приёме гиполипидемических лекарственных препаратов.

Скорость β-окисления зависит также от активности фермента карнитин-пальмитоилтрансферазы I (CPTI). В печени этот фермент ингибируется малонил-КоА, веществом, образующимся при биосинтезе жирных кислот .

В мышцах карнитин-пальмитоилтрансфераза I (CPTI) также ингибируется малонил-КоА. Хотя мышечная ткань не синтезирует жирные кислоты, в ней имеется изофермент ацетил-КоА-карбоксилазы, синтезирующий малонил-КоА для регуляции β-окисления. Данный изофермент фосфорилируется протеинкиназой А , которая активируется в клетках под действием адреналина , и АМФ-зависимой протеинкиназой и таким образом происходит его ингибирование; концентрация малонил-КоА снижается. Вследствие этого, при физической работе, когда в клетке появляется АМФ , под действием адреналина активируется β-окисление, однако, его скорость зависит ещё и от доступности кислорода. Поэтому β-окисление становится источником энергии для мышц только через 10-20 минут после начала физической нагрузки (так называемые аэробные нагрузки), когда приток кислорода к тканям увеличивается .

Дефекты карнитиновой транспортной системы проявляются в ферментопатиях и дефицитных состояний карнитина в организме человека.

Наиболее распространены дефицитные состояния, связанные с потерей карнитина во время некоторых состояний организма:

Признаками и симптомами недостатка карнитина являются приступы гипогликемии, возникающие из-за снижения глюконеогенеза в результате нарушения процесса β-окисления жирных кислот, уменьшение образования кетоновых тел, сопровождающееся повышением содержания свободных жирных кислот (СЖК) в плазме крови, мышечная слабость (миастения), а также накопление липидов .

В митохондриях имеется 3 вида ацил-КоА-дегидрогеназ , окисляющих жирные кислоты с длинной, средней или короткой цепью радикала. Жирные кислоты по мере укорочения радикала в процессе β-окисления могут последовательно окисляться этими ферментами. Генетический дефект (КФ) - MCADD (сокр. от М edium-c hain a cyl-СоА d ehydrogenase d eficiency) наиболее распространён по сравнению с другими наследственными заболеваниями - 1:15 000. Частота дефектного гена ACADM , кодирующего ацил-КоА-дегидрогеназы жирных кислот со средней длиной цепи, среди европейской популяции - 1:40. Это аутосомно-рецессивное заболевание , возникающее в результате замены нуклеотида Т ( .

Дикарбоновая ацидурия заболевание, связанное с повышенной экскрецией С 6 -С 10 -дикарбоновых кислот и возникающей на этом фоне гипогликемии , однако, не связанная с повышением содержания кетоновых тел. Причиной данного заболевания является MCADD. При этом нарушается β-окисление и усиливается ω-окисление длинноцепочечных жирных кислот, которые укорачиваются до среднецепочечных дикарбоновых кислот , выводимых из организма .

Синдром Цельвегера или цереброгепаторенальный синдром, редкое наследственное заболевание описано американским педиатром Хансом Цельвегером (англ. H.U. Zellweger ), которое проявляется в отсутствии пероксисом во всех тканях организма. Вследствие этого в организме, особенно в мозгу накапливаются полиеновые кислоты (С 26 -С 38), представляющие собой длиноцепочечные жирные кислоты . Примерная заболеваемость нарушениями биогенеза пероксисом спектра синдрома Цельвегера составляет 1:50 000 новорождённых в США и 1:500 000 новорождённых в Японии. Для синдрома характерны: пренатальная задержка роста; мышечная гипотония; затруднение сосания; арефлексия; долихоцефалия; высокий лоб; круглое плоское лицо; одутловатые веки; гипертелоризм; монголоидный разрез глаз; катаракта ; пигментная ретинопатия или дисплазия зрительного нерва; колобома радужки; низко расположенные ушные раковины; микрогнатия ; расщелина неба; латеральное или медиальное искривление пальцев; поражение печени (гепатомегалия (увеличение объёма печени), дисгинезия внутрипеченочных протоков, цирроз печени); поликистоз почек; нередко - тяжёлые, несовместимые с жизнью аномалии лёгких и пороки сердца; задержка психомоторного развития; судороги ; стойкая желтуха. При патоморфологическом исследовании выявляют задержку миелинизации нейронов; накопление липидов в астроцитах; в печени, почках и мозге уменьшено содержание плазмогенов; в клетках печени и других тканях организма снижено количество пероксисом, большинство пероксисомных ферментов неактивны. В крови повышена активность трансаминаз и отмечается стойкая гипербилирубинемия . В присутствии гипоглицина происходит накопление главным образом бутирил-КоА, который гидролизуется до свободной масляной кислоты (бутирата). Масляная кислота в избытке попадает в

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.

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.

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):

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

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.

Баланс энергии. При каждом цикле β-окисления образуются одна молекула ФАДН 2 и одна молекула НАДН. Последние в процессеокисления в дыхательной цепи и сопряженного с ним фосфорилирования дают: ФАДН 2 – 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 одноймолекулы 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.

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.