Углеводы составляют основную часть пищевого рациона человека и обеспечивают значительную часть энергетических потребностей организма. При сбалансированном питании суточное количество углеводов в среднем в 4 раза превышает количество белков и жиров.
Роль углеводов в питании:
1. Углеводы выполняют энергетическую функцию. При окислении 1 г углеводов освобождается 4.1 ккал энергии. Глюкоза, до которой расщепляется основная часть углеводов, является основным энергетическим субстратом в организме.
2. Мышечная деятельность сопровождается значительным потреблением глюкозы. При физической работе углеводы расходуются в первую очередь, и только при истощении их запасов (гликоген) в обмен включаются жиры.
3. Углеводы необходимы для нормальной функции центральной нервной системы, клетки которой весьма чувствительны к недостатку глюкозы в крови.
4. Углеводы выполняют структурную функцию. Простые углеводы служат источником образования гликопротеидов, которые составляют основу соединительной ткани.
5. Углеводы принимают участие в обмене белков и жиров. Из углеводов могут образовываться жиры.
6. Углеводы растительного происхождения (целлюлоза, пектиновые вещества) стимулируют моторику кишечника, способствуют выведению накаливающихся в нем токсических продуктов.
Источниками углеводов служат преимущественно растительные продукты, особенно мучные изделия, крупы, сладости. В большинстве продуктов углеводы представлены в виде крахмала и в меньшей степени в виде дисахаридов (молоко, сахарная свекла, фрукты и ягоды). Для лучшего усвоения углеводов необходимо, чтобы большая их часть поступала в организм в виде крахмала.
Крахмал постепенно расщепляется в желудочно-кишечном тракте до глюкозы, которая поступает в кровь небольшими порциями, что улучшает ее утилизацию и поддерживает постоянный уровень сахара в крови. При введении сразу больших количеств Сахаров концентрация глюкозы в крови резко возрастает, и она начинается выделяться с мочой. Наиболее благоприятными считаются такие условия, когда 64% углеводов потребляются в виде крахмала, а 36% - в виде Сахаров.
Норма потребления углеводов зависит от интенсивности труда. При физической работе углеводы требуются в большем количестве. В среднем на 1 кг массы тела требуется 4-6-8 г углеводов в сутки, т.е. примерно в 4 раза больше, чем белков и жиров.
Избыточное потребление углеводов может приводить к тучности и излишней перегрузке ЖКТ, т.к. растительная пища, богатая углеводами, обычно более объемистая, вызывает чувство тяжести, ухудшает общую усвояемость продуктов питания.
Недостаток углеводов в пище также нежелателен из-за опасности развития гипогликемических состояний. Углеводная недостаточность, как правило, сопровождается общей слабостью, сонливостью, снижением памяти, умственной и физической работоспособности, головной болью, снижением усвояемости белков, витаминов, ацидозом и др. В связи с этим количество углеводов в суточном рационе не должно быть меньше 300 г
К группе углеводов тесно примыкают встречающиеся в большинстве растительных продуктов плохо усвояемые организмом человека вещества - пектиновые вещества (неусвояемые углеводы) и клетчатка.
Пектиновые вещества - это растительные желирующие вещества, обладающие высокой сорбционной (поглощающей) способностью. Они благоприятно действуют при лечении заболеваний органов пищеварения, ожогов и язв, а также обладают способностью обезвреживать некоторые ядовитые вещества (особенно активно выводят из организма соли тяжёлых металлов, например соединения свинца).
Много пектиновых веществ в апельсинах, яблоках, чёрной смородине и других фруктах и ягодах.
Клетчатка (другие названия - грубые растительные, или неперевариемые, или пищевые, или диетические, волокна) - это полисахарид, входящий в состав массивных оболочек клеток растительной пищи. Имеет волокнистую, довольно грубую структуру.
Обычные источники пищевых волокон - отруби, хлеб, крупы (особенно гречневая и овсяная). Большие их количества содержатся во многих овощах, фруктах, листьях и стеблях растений; особенно много - в оболочках зерен и в кожуре плодов. При консервировании овощей и плодов пищевые волокна полностью сохраняются (кроме соков без мякоти).
Не обладая высокой калорийностью, большинство овощей и фруктов, тем не менее, благодаря высокому содержанию неусвояемых углеводов, способствуют быстрому и довольно стойкому чувству насыщения: поскольку пищевые волокна обладают способностью впитывать много жидкости, они набухают в желудке, заполняют часть его объема - и в результате насыщение происходит быстрее. Сами же волокна не несут в организм ни единой калории.
Ценность волокон и в том, что, являясь довольно объёмистой составляющей ежедневного питания, человеческим организмом они не перевариваются. Наличие большого количества клетчатки несколько снижает общую усвояемость пищи. Однако и полное ее отсутствие вредно отзывается на работе желудочно-кишечного тракта.
Клетчатка вызывает правильную перистальтику (движение стенок) кишечника и тем самым способствует передвижению пищи по пищеварительному каналу и выведению из организма неусвоенных пищевых веществ.
Необходимое количество клетчатки в пище обеспечивается правильным сочетанием животных и растительных продуктов в суточном рационе.
После расщепления клетчатка, как и другие полисахариды, превращается в сахара. Однако в пищеварительном тракте человека отсутствуют ферменты, которые могли бы осуществить подобное расщепление. Только незначительная часть ее может подвергнугься перевариванию под влиянием находящихся в кишечнике микроорганизмов, основная же масса без изменений удаляется из организма. Благодаря этой внешней бесполезности клетчатка и пектины получили название балластных веществ.
Балластные вещества выполняют важную функцию и в процессе пищеварения: волокна ферментируются кишечными бактериями и буквально помогают перетирать пищу; раздражая нервные окончания кишечных стенок, они усиливают перистальтику. Если пища бедна балластными веществами, нарушается двигательная активность кишечника, поэтому, чтобы избежать этих нарушении рекомендуется использовать грубую пищу, богатую клетчаткой.
Помимо этого пищевые волокна обладают способностью стимулировать обмен веществ, поскольку волокна препятствуют всасыванию токсинов, поступающих с пищей или образующихся в процессе её переработки, и служат своего рода метелкой: продвигаясь по пищеварительному тракту, они прихватывают с собой все, что налипло на стенки, и выводят из организма.
Ещё одно достоинство пищевых волокон - они имеют свойство снижать уровень эндогенного холестерина (это такой холестерин, который не попадает к нам с пищей, а вырабатывается самим организмом в печени из желчных кислот, поступающих в печень из кишечника).
Гемицеллюлоза: как и клетчатка, или целлюлоза, входит в состав клеточных оболочек зерновых продуктов, и небольших количествах содержится в мякоти фруктов и овощей. Она способна удерживать воду и связывать металлы.
Окисление жирных кислот (бета окисление). Роль HS – Ko в этом процессе. Энергия полного окисления стеориновой кислоты до CO 2 c H 2 O . Рассчитать количество образуемых при окислении молекул АТФ.
Активация ЖК происходит в цитоплазме, а бета-окисление - в митохондриях.
Ацил-КоА не может проходить через мембрану митохондрий. Поэтому имеется специальный механизм транспорта ЖК из цитоплазмы в митохондрию при участии вещества "карнитин". Во внутренней мембране митохондрий есть специальный транспортный белок, обеспечивающий перенос. Благодаря этому ацилкарнитин легко проникает через мембрану митохондрий.
По строению цитоплазматическая и митохондриальная карнитинацилтрасферазы различны, отличаются они друг от друга и кинетическими характеристиками. Vmax цитоплазматической ацилкарнитинтрансферазы ниже, чем Vmax митохондриального фермента, а также ниже Vmax ферментов -окисления. Поэтому цитоплазматическая ацилкарнитинтрансфераза является ключевым ферментом распада жирных кислот.
Если жирная кислота попадает в митохондрию, то она обязательно подвергнется катаболизму до ацетил-КоА.
Наиболее компактным «топливом», удовлетворяющим энергетические потребности организма, являются жирные кислоты, что определяется особенностями их химической структуры. В расчете на 1 моль полное окисление жирных кислот высвобождает в несколько раз больше пригодной для использования химической энергии, чем окисление углеводов; например, при окислении 1 моль пальмитиновой кислоты образуется 130 моль АТФ, тогда как при окислении 1 моль глюкозы образуется 38 моль АТФ. В расчете на единицу веса выход энергии различается также более чем в два раза (9 ккал на 1 г жиров против 4 ккал на 1 г углеводов или белков). В основе этого высокого выхода энергии лежит та же причина, которая делает бензин, нефть и другие нефтяные продукты таким эффективным топливом для выработки тепловой и механической энергии, а именно высокая степень восстановленности углерода в длинных алкильных цепях. Основная часть молекулы жирной кислоты состоит из повторяющихся звеньев (СН2)n, т. е. структуры, максимально обогащенной водородом. Как мы видели из предыдущего изложения, энергия, запасаемая в ходе биологических окислительных процессов, образуется в основном в связи с контролируемым переносом электронов от атомов водорода дыхательной цепи, сопряженным с фосфорилирова-нием АДФ до АТФ. Поскольку жирные кислоты построены в основном из углерода и водорода и, таким образом, содержат в своем составе значительно меньше атомов кислорода, чем углеводы, окисление жирных кислот сопровождается поглощением пропорционально большего количества кислорода и, следовательно, образованием большего количества АТФ при окислительном фосфорилировании.
Установлено, что окисление жирных кислот наиболее интенсивно протекает в печени, почках, скелетных и сердечных мышцах, в жировой ткани. В мозговой ткани скорость окисления жирных кислот весьма незначительна, т.к. основным источником энергии в мозговой ткани служит глюкоза.
β-Окисление - специфический путь катаболизма жирных кислот, при котором от карбоксильного конца жирной кислоты последовательно отделяется по 2 атома углерода в виде ацетил-КоА. Метаболический путь - β-окисление - назван так потому, что реакции окисления жирной кислоты происходят у β-углеродного атома. Реакции β-окисления и последующего окисления ацетил-КоА в ЦТК служат одним из основных источников энергии для синтеза АТФ по механизму окислительного фосфорилирования. β-Окисление жирных кислот происходит только в аэробных условиях.
Активация жирных кислот
Перед тем, как вступить в различные реакции, жирные кислоты должны быть активированы, т.е. связаны макроэргической связью с коферментом А:
RCOOH + HSKoA + АТФ → RCO ~ КоА + АМФ + PPi.
Реакцию катализирует фермент ацил-КоА син-тетаза. Выделившийся в ходе реакции пирофосфат гидролизуется ферментом пирофосфатазой: Н 4 Р 2 О 7 + Н 2 О → 2 Н 3 РО 4 .
Выделение энергии при гидролизе макроэргической связи пирофосфата смещает равновесие реакции вправо и обеспечивает полноту протекания реакции активации.
Ацил-КоА синтетазы находятся как в цитозоле, 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 мембране митохондрий.
Распад активированных жирных кислот происходит в соответствии с гипотезой b - окисления Ф. Кноопа, предложеннойой в 1904 г. b - окисление протекает внутри митохондрий
β-Окисление жирных кислот - специфический путь катаболизма жирных кислот, протекающий в матриксе митохондрий только в аэробных условиях и заканчивающийся образованием ацетил-КоА. Водород из реакций β-окисления поступает в ЦПЭ, а ацетил-КоА окисляется в цитратном цикле, также поставляющем водород для ЦПЭ. Поэтому β-окисление жирных кислот - важнейший метаболический путь, обеспечивающий синтез АТФ в дыхательной цепи.
β-Окисление начинается с дегидрирования ацил-КоА FAD-зависимой ацил-КоА дегидрогеназой с образованием двойной связи между α- и β-атомами углерода в продукте реакции - еноил-КоА. Восстановленный в этой реакции кофермент FADH 2 передаёт атомы водорода в ЦПЭ на кофермент Q. В результате синтезируются 2 молекулы АТФ (рис. 8-27). В следующей реакции р-окисления по месту двойной связи присоединяется молекула воды таким образом, что ОН-группа находится у β-углеродного атома ацила, образуя β-гидроксиацил-КоА. Затем β-гидроксиацил-КоА окисляется NАD + -зависимой дегидрогеназой. Восстановленный NADH, окисляясь в ЦПЭ, обеспечивает энергией синтез 3 молекул АТФ. Образовавшийся β-кетоацил-КоА подвергается тиолитическому расщеплению ферментом тиолазой, так как по месту разрыва связи С-С через атом серы присоединяется молекула кофермента А. В результате этой последовательности из 4 реакций от ацил-КоА отделяется двухуглеродный остаток - ацетил-КоА. Жирная кислота, укороченная на 2 атома углерода, опять проходит реакции дегидрирования, гидратации, дегидрирования, отщепления ацетил-КоА. Эту последовательность реакций обычно называют "циклом β-окисления", имея в виду, что одни и те же реакции повторяются с радикалом жирной кислоты до тех пор, пока вся кислота не превратится в ацетильные остатки.
β-Окисление жирных кислот.
Процесс b-окисления является циклическим. За каждый оборот цикла от жирной кислоты отщепляется 2 углеродных атома в виде ацетильного остатка.
После этого укороченный на 2 углеродных атома ацил-КоА снова подвергается окислению (вступает в новый цикл реакций b-окисления). Образующийся Ацетил-КоА может дальше вступить в цикл трикарбоновых кислот.Нужно уметь рассчитывать энергетический выход при распаде жирных кислот. Представленная формула верна для любой насыщенной жирной кислоты, содержащей n углеродных атомов.При распаде ненасыщенных жирных кислот образуется меньше АТФ. Каждая двойная связь в жирной кислоте - это потеря 2-х молекул АТФ. b-окисление наиболее интенсивно протекает в мышечной ткани, почках, печени. В результате b-окисления ЖК образуется Ацетил-КоА. Скорость окисления определяется скоростью процессов липолиза. Ускорение липолиза характерно для состояния углеводного голодания и интенсивной мышечной работы. Ускорение b-окисления наблюдается во многих тканях, в том числе и в печени. В печени образуется больше Ацетил-КоА, чем ей требуется. Печень - "орган-альтруист" и поэтому печень отправляет глюкозу в другие ткани.
Печень стремится направить в другие ткани и свой собственный Ацетил-КоА, но не может, так как для Ацетил-КоА клеточные мембраны непроницаемы. Поэтому в печени из Ацетил-КоА синтезируются специальные вещества, которые называются "кетоновые тела". Кетоновые тела - это особая транспортная форма ацетил-КоА.
Молекула жирной кислоты расщепляется в митохондрии путем постепенного отщепления двууглеродных фрагментов в виде ацетилкоэнзима А (ацетил-КоА).
С17Н35СООН + 26 О2 = 18 СО2 + 18 Н2О.
при окислении стеариновой кислоты клетка получит 146 молекул АТФ.
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.
«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.
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.
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.
