Катаболізм жирних кислот

В живых организмах катаболизм ЖК протекает как в ферментативных так и в неферментативных реакциях.

• · Ферментативный катаболизм ЖК происходит в основном в реакциях в-окисления. К побочным путям относиться ферментативное би щ-окисление ЖК, а также деградация ЖК в пероксисомах. Хотя эти побочные пути количественно менее важны, их нарушение может приводить к тяжелым заболеваниям.
• · Неферментативный катаболизм ЖК протекает в реакциях перекисного окисления липидов (ПОЛ).

в-окисление ЖК. в-окисление — специфический путь катаболизма ЖК с неразветвленной средней и короткой углеводородной цепью. в-окисление протекает в матриксе митохондрий, при котором от С конца ЖК последовательно отделяется по 2 атома С в виде Ацетил-КоА. в-окисление ЖК происходит только в аэробных условиях и является источником большого количества энергии.

в-окисление ЖК активно протекает в красных скелетных мышцах, сердечной мышце, почках и печени. ЖК не служат источником энергии для нервных тканей, так как ЖК не проходят через гематоэнцефалический барьер, как и другие гидрофобные вещества.

в-окисление ЖК увеличивается в постабсорбтивный период, при голодании и физической работе. При этом концентрация ЖК в крови увеличивается в результате мобилизации ЖК из жировых ткани.

Активация ЖК.

Активация ЖК происходит в результате образования макроэргической связи между ЖК и HSКоА с образованием Ацил-КоА. Реакцию катализирует фермент Ацил-КоА синтетаза:

RCOOH + HSKoA + АТФ > RCO~SКоА + АМФ+ PPн Пирофосфат гидролизуется ферментом пирофосфатазой:

Н4Р2О7 + Н2О > 2Н3РО4.

Ацил-КоА синтетазы находятся как в цитозоле (на внешней мембране митохондрий), так и в матриксе митохондрий. Эти ферменты отличаются по специфичности к ЖК с различной длиной углеводородной цепи.

Транспорт ЖК.

Транспорт ЖК в матрикс митохондрий зависит от длины углеродной цепи.

ЖК с короткой и средней длиной цепи (от 4 до 12 атомов С) могут проникать в матрикс митохондрий путём диффузии. Активация этих ЖК происходит ацил-КоА синтетазами в матриксе митохондрий.

ЖК с длинной цепью, сначала активируются в цитозоле (ацил-КоА синтетазами на внешней мембране митохондрий), а затем переносятся в матрикс митохондрий специальной транспортной системой с помощью карнитина. Карнитин поступает с пищей или синтезируется из лизина и метионина с участием витамина С.

• · В наружной мембране митохондрий фермент карнитинацилтрансфераза I (карнитин-пальмитоилтрансфераза I) катализирует перенос ацила с КоА на карнитин с образованием ацилкарнитина;
• · Ацилкарнитин проходит через межмембранное пространство к наружной стороне внутренней мембраны и транспортируется с помощью карнитинацилкарнитинтранслоказы на внутреннюю поверхность внутренней мембраны митохондрий;
• · Фермент карнитинацилтрансфераза II катализирует перенос ацила с карнитина на внутримитохондриальный HSКоА с образованием Ацил-КоА;
• · Свободный карнитин возвращается на цитозольную сторону внутренней мембраны митохондрий той же транслоказой.

Рис. 13.

Реакции в-окисление ЖК.

• 1. в-окисление начинается с дегидрирования ацил-КоА ФАД-зависимой Ацил-КоА дегидрогеназой с образованием двойной связи (транс) между би в-атомами С в Еноил-КоА. Восстановленный ФАДН2 окисляясь в ЦПЭ, обеспечивает синтез 2 молекул АТФ;
• 2. Еноил-КоА гидратаза присоединяет воду к двойной связи Еноил-КоА с образованием в-оксиацил-КоА;
• 3. в-оксиацил-КоА окисляется НАД зависимой дегидрогеназой до в-кетоацил-КоА. Восстановленный НАДН2, окисляясь в ЦПЭ, обеспечивает синтез 3 молекул АТФ;
• 4. Тиолаза с участием HКоА отщепляет от в-кетоацил-КоА Ацетил-КоА. В результате 4 реакций образуется Ацил-КоА, который короче предыдущего Ацил-КоА на 2 углерода. Образованный Ацетил-КоА окисляясь в ЦТК, обеспечивает синтез в ЦПЭ 12 молекул АТФ.

Затем Ацил-КоА снова вступает в реакции в-окисления. Циклы продолжаются до тех пор, пока Ацил-КоА не превратится в Ацетил-КоА с 2 атома С (если ЖК имела четное количество атомов С) или Бутирил-КоА с 3 атомами С (если ЖК имела нечетное количество атомов С).

Энергетический баланс окисления насыщенных ЖК с четным количеством атомов углерода.

При активации ЖК затрачивается 2 макроэргической связи АТФ.

При окислении насыщенной ЖК с четным количеством атомов С образуются только ФАДН2, НАДН2 и Ацетил-КоА.

За 1 цикл в-окисления образуется 1 ФАДН2, 1 НАДН2 и 1 Ацетил-КоА, которые при окислении дают 2+3+12=17 АТФ.

Количество циклов при в-окислении ЖК = количество атомов С в (ЖК/2)-1. Пальмитиновая кислота при в-окислении проходит (16/2)-1 = 7 циклов. За 7 циклов образуется 17*7=119 АТФ.

Последний цикл в-окисления сопровождается образованием дополнительной Ацетил-КоА, которая при окислении дает 12 АТФ.

Таким образом, при окислении пальмитиновой кислоты образуется: -2+119+12=129 АТФ.

Суммарное уравнение в-окисления, пальмитоил-КоА:

С15Н31СО-КоА + 7 ФАД + 7 НАД+ + 7 HSKoA > 8 CH3-CO-KoA + 7 ФАДН2 + 7 НАДН2.

Рис. 14

Энергетический баланс окисления насыщенных ЖК с нечетным количеством атомов углерода.

в-окисление насыщенной ЖК с нечетным количеством атомов С в начале идет также как и с четным. На активацию затрачивается 2 макроэргической связи АТФ.

ЖК с 17 атомами С проходит при в-окислении 17/2−1 = 7 циклов. За 1 цикл из 1 ФАДН2, 1 НАДН2 и 1 Ацетил-КоА образуется 2+3+12=17 АТФ. За 7 циклов образуется 17*7=119 АТФ.

Последний цикл в-окисления сопровождается образованием не Ацетил-КоА, а Пропионил-КоА с 3 атомами С.

Пропионил-КоА карбоксилируется с затратой 1 АТФ пропионил-КоА-карбоксилазой с образованием D-метилмалонил-КоА, который после изомеризации, превращается сначала в L-метилмалонил-КоА, а затем в Сукцинил-КоА. Сукцинил-КоА включается в ЦТК и при окислении дает ЩУК и 6 АТФ. ЩУК может поступать в глюконеогенез для синтеза глюкозы. Дефицит витамина В12 приводит к накоплению в крови и выделению с мочой метилмалонила.

Рис. 15

Таким образом, при окислении ЖК образуется: -2+119−1+6=122 АТФ.

Суммарное уравнение в-окисления ЖК с 17 атомами С:

С16Н33СО-КоА + 7 ФАД + 7 НАД+ + 7 HSKoA > 7 CH3-CO-KoA + 1 C2H5-CO-KoA + 7 ФАДН2 + 7 НАДН2.

Энергетический баланс окисления ненасыщенных ЖК с четным количеством атомов углерода.

Около половины ЖК в организме человека ненасыщенные. в-окисление этих кислот идёт обычным путём до тех пор, пока двойная связь не окажется между 3 и 4 атомами С. Затем фермент еноил-КоА изомераза перемещает двойную связь из положения 3−4 в положение 2−3 и изменяет цис-конформацию двойной связи на транс-, которая необходима для в-окисления. В этом цикле в-окисления, так как двойная связь в ЖК уже имеется, первая реакция дегидрирования не происходит и ФАДН2 не образуется. Далее циклы в-окисления продолжаются, не отличаясь от обычного пути.

Энергетический баланс рассчитывается также как и для насыщенных ЖК с четным количеством атомов С, только на каждую двойную связь недосчитывают 1 ФАДН2 и соответственно 2 АТФ.

Суммарное уравнение в-окисления пальмитолеил-КоА:

С15Н29СО-КоА + 6 ФАД + 7 НАД+ + 7 HSKoA > 8 CH3-CO-KoA + 6 ФАДН2 + 7 НАДН2.

Энергетический баланс в-окисления пальмитолеиновой кислоты: -2+8*12+6*2+7*3=127 АТФ.

Регуляция скорости в-окисления ЖК.

в-окисление активируют: НАД+, АДФ (энергодефицит), ЖК, глюкагон, адреналин.

в-окисление ингибируют: НАДH2, АТФ, инсулин.

Голод, физическая нагрузка > ^ глюкагон, ^ адреналин > липолиз ТГ в адипоцитах > ^ ЖК в крови > ^ в-окисление в аэробных условиях в мышцах, печени > 1) ^АТФ; 2)^АТФ, ^НАДH2,^{Ацетил-КоА,} (^ЖК) > v гликолиз > ^ экономию глюкозы, необходимую для нервной ткани, эритроцитов и т. д.

Пища > ^ инсулин > ^ гликолиз > ^ Ацетил-КоА > ^ синтез малонил-КоА и ЖК.

^ синтез малонил-КоА > ^ малонил-КоА > v карнитинацилтрансферазы I в печени > v транспорт ЖК в матрикс митохондрий > v ЖК в матриксе > v в-окисление ЖК Окисление ЖК в пероксисомах.

В пероксисомах в-окисления ЖК протекает в модифицированной форме. Этот путь обеспечивает катаболизм в печени длинноцепочечных ЖК (С=20, 22). Продуктами окисления является актоноил-КоА, Ацетил-КоА и Н2О2. Н2О2 синтезируется аэробной дегидрогеназой при взаимодействии ФАДН2 и О2. Актоноил и Ацетил переходят с КоА на карнитин и направляются в митохондрии, где окисляются с образованием АТФ.

б-окисление ЖК.

б-окисление — специфический путь катаболизма ЖК с длинной (более 20 атомов С) и разветвленной углеводородной цепью. б-окисления протекает в нервной ткани, где преобладают ЖК с длинной цепью и в печени, куда поступают разветвленные ЖК растительной пищи (например, фитановая кислота).

При б-окислении синтез АТФ не происходит, от ЖК отщепляется по одному атому С, в виде СО2.

Рис. 16.

Фитановая кислота, ЖК с разветвлённой углеводородной цепью, образуется из фитола, который входит в состав хлорофилла. В этой кислоте у каждого третьего атома С находится метильная группа, что делает невозможным в-окисление данной кислоты. При б-окислении фитановой кислоты вначале удаляется метильная группа, а затем происходит цикл в-окисления.

щ-Окисление ЖК.

щ-Окисление протекает в ЭПР, начинается с гидроксилирования щ-углеродного атома ЖК монооксигеназой (Р450) и в результате окисления приводит к образованию ЖК с двумя карбоксильными группами, которые разрушаются в-окислением с обеих сторон до дикарбоновых кислот: адипиновой (С6) и субериновой кислоты (С8), которые, выводятся с мочой.

Рис. 17

Нарушения окисления ЖК.

1) Нарушение в-окисления возникает при снижении транспорта ЖК в митохондрии.

Скорость переноса ЖК внутрь митохондрий зависит от доступности карнитина и активности карнитинацилтрансферазы I. Снижение концентрации карнитина происходит при: 1). длительном гемодиализе; 2). длительной ацидурии (карнитин выводится как основание с органическими кислотами); 3). нарушении синтеза карнитина. Карнитинацилтрансфераза I ингибируется препаратами сульфонилмочевины (лечение больных сахарным диабетом), существуют наследственные дефекты карнитинацилтрансферазы I.

В этих случаях ЖК с длинной цепью не используются как источники энергии. У таких людей снижена способность к физической активности; в мышечных клетках могут накапливаться ТГ в виде липидных капель.

2) Генетический дефект дегидрогеназы ЖК со средней длиной углеводородной цепи.

В митохондриях имеется 3 вида ацил-КоА-дегидрогеназ, окисляющих ЖК с длинной, средней или короткой цепью радикала. ЖК по мере укорочения радикала в процессе в-окисления последовательно окисляются этими ферментами.

Генетический дефект дегидрогеназы ЖК со средней длиной радикала — распространенное аутосомно-рецессивное заболевание (1:15 000). Частота дефектного гена в европейской популяции — 1:40.

Активность этой дегидрогеназы особенно важна для грудных детей, т.к. у них основным источником энергии служат ЖК со средней длиной цепи, входящие в состав ТГ молока.

Невозможность использовать ЖК как источники энергии приводит к увеличению скорости окисления глюкозы. В результате у детей развивается гипогликемия, которая является причиной внезапной смерти (10% от общего числа умерших новорождённых). Если такие дети выживают, то после голодания в течение 6—8 ч у них развиваются гипогликемические приступы (слабость, головокружение, рвота, потеря сознания).

Введение

глюкозы приводит к исчезновению симптомов.

Во всех случаях, когда нарушается в-окисление, ЖК накапливаются в клетках и распадаются по пути щ-окисления, которое в норме идёт с очень низкой скоростью. Окисление происходит по метильному сжатому углерода, и в результате образуются дикарбоновые кислоты, выделяющиеся с мочой. Определение этих кислот в моче может служить диагностическим признаком нарушения в-окисления.

3) Нарушение б-окисления Болезнь Рефсума — редкое наследственное заболевание развивающейся вследствие генетических дефектов ферментов б-окисления. Фитановая кислота, поступающая с пищей, не окисляется и накапливается в организме, в основном в нервной ткани.

Это приводит у взрослых к нарушению структуры нервной ткани и развитию многих неврологических симптомов (полиневропатии, мозжечковой атаксии), нарушению зрения (пигментная дистрофия сетчатки), костным деформациям, изменениям кожи по типу ихтиоза и поражениям сердца с развитием кардиомиопатий.

У детей развиваются выраженные черепно-лицевые аномалии, мышечная гипотония, пигментный ретинит, нейросенсорная глухота, грубая задержка психомоторного развития, судороги, гепатомегалия с нарушением функции печени.

4) Нарушение деградации ЖК в пероксисомах Из-за дефекта пероксисом нарушена деградация длинноцепочечных жирных кислот, что проявляется в синдроме Целльвегера. В клетках отмечается повышение количества жирных кислот с длинной углеводной цепью.

Синдром Целльвегера — заболевание раннего детского возраста, наследующееся по аутосомно-рецессивному типу и проявляющееся мышечной гипотонией, нарушением моторики, арефлексией, кардиомиопатией, задержкой психического развития, судорогами, фиброзом печени и кистозом почек. Характерны черепно-лицевые дизморфии, атрофии зрительных нервов, помутнение хрусталика и роговицы, глаукома. С первых месяцев жизни выявляется выраженная задержка психомоторного развития.

Перекисное окисление липидов Понятие ПОЛ объединяет все реакции неферментативного окисления полиненасыщенных ЖК, свободных или входящих в состав омыляемых липидов, протекающих по радикальному механизму. Реакции ПОЛ инициируются активными формами кислорода.

Рис. 18

Рис. 19.

В результате появления в гидрофобном слое мембран гидрофильных зон за счёт образования гидропероксидов жирных кислот в клетки могут проникать вода, ионы натрия, кальция, что приводит к набуханию клеток, органелл и их разрушению.

Регуляция ПОЛ.

Процессы ПОЛ усиливаются при избытке катехоламинов (стресс), гипоксии, ишемии (при реоксигенации), повышенном содержании активных форм О2, снижении антиоксидантной защиты, повышенном содержании ненасыщенных жирных кислот.

Активация ПОЛ происходит при воспалении и характерна для многих заболеваний: дистрофии мышц (болезнь Дюшенна), болезни Паркинсона, атеросклерозе, развитии опухолей.

Физиологическое значение реакций ПОЛ:

• 1. модифицируют физико-химические свойства биомембран: увеличивают их проницаемость.
• 2. регулируют активность мембранных ферментов, реакции окислительного фосфорилирования.
• 3. участвуют в контроле клеточного деления.
• 4. Участвует в адаптации организма.

Повышение активности ПОЛ приводит к:

• 1. разрушению, фрагментации клеточных мембран, повреждению и гибели клеток.
• 2. модификации ЛП, особенно ЛПНП. Они становятся «липкими», легче проникают в сосудистую стенку, хорошо захватываются макрофагами, что ускоряет развитие атеросклероза.
• 3. накоплению продуктов ПОЛ, многие из которых токсичны, канцерогенены и мутагенены (МДА).
• 4. ускорению процессов старения организма.

На коже с возрастом увеличивается количество пигментных пятен. Пигмент, вызывающий образование этих пятен, называется липофусцин. Он представляет собой смесь липидов и белков, связанных между собой поперечными ковалентными связями и денатурированными в результате взаимодействия с продуктами ПОЛ. Этот пигмент фагоцитируется, но не гидролизуется ферментами лизосом, и поэтому накапливается в клетках, нарушая их функции.