ОСНОВЫ БИОХИМИИ ЛЕНИНДЖЕРА - ТОМ 2. БИОЭНЕРГЕТИКА И МЕТАБОЛИЗМ - 2014

ЧАСТЬ II. БИОЭНЕРГЕТИКА И МЕТАБОЛИЗМ

17. КАТАБОЛИЗМ ЖИРНЫХ КИСЛОТ

Вопросы и задачи.

1. Энергия триацилглицеринов.

Из расчета на углерод, где в триацилглицеринах находится больше всего биологически полезной энергии: в жирнокислотной или глицериновой части? Покажите, как знание химической структуры триацилглицеринов помогает дать ответ.

2. Энергетические запасы в жировой ткани.

Среди основных питательных веществ триацилглицерины со своими углеводородоподобными жирными кислотами содержат больше всего энергии.

а) Если 15% массы тела взрослого человека (массой 70,0 кг) приходится на триацилглицерины, каков суммарный запас энергии в виде триацилглицеринов, как в килоджоулях, так и в килокалориях? 1,00 ккал = 4,18 кДж.

б) Если потребность в энергии составляет примерно 8400 кДж/сут. (2000 ккал/сут), сколько времени смог бы прожить человек, если окисление жирных кислот, запасенных в виде триацилглицеринов, было бы единственным источником энергии?

в) Сколько ежедневно терялось бы массы тела (в фунтах) при таких условиях голодания? 1 фунт = 0,454 кг.

3. Общие реакции в окислении жирных кислот и в цикле трикарбоновых кислот.

Клетки часто используют одну и ту же схему ферментативных реакций в аналогичных метаболических превращениях. Например, стадии окисления пирувата до ацетил-СоА и α-кетоглутарата до сукцинил-СоА очень похожи, хотя и катализируются различными ферментами. Последовательность реакций первой стадии окисления жирных кислот напоминает последовательность в цикле трикарбоновых кислот. Используя уравнения, продемонстрируйте последовательности аналогичных реакций двух метаболических путей.

4. β-Окисление: сколько циклов?

Сколько циклов β-окисления требуется для полного окисления активированной олеиновой кислоты (18:1 (∆⁹))?

5. Реакции ацил-СоА-синтетазы.

Жирные кислоты превращаются в кофермент A-эфиры в обратимой реакции, катализируемой ацил-СоА- синтетазой:

а) Установлено, что связанное с ферментом промежуточное соединение этой реакции представляет собой смешанный ангидрид жирной кислоты и аденозинмонофосфата (АМР), ацил- АМР:

Напишите два уравнения, которые соответствуют двум стадиям реакции, катализируемой ацил-СоА-синтетазой.

б) Реакция ацил-СоА-синтетазы легко обратима, ее константа равновесия близка к 1. Как можно заставить реакцию идти в сторону образования ацил-СоА-производного жирной кислоты?

6. Промежуточные продукты окисления олеиновой кислоты.

Каково строение частично окисленной ацильной группы, образующейся после трех циклов окисления олеиновой кислоты, 18:1(∆⁹)? Каковы две следующие стадии окисления этого вещества?

7. β-Окисление жирной кислоты с нечетным числом атомов углерода.

Каковы прямые продукты β-окисления полностью насыщенной неразветвленной жирной кислоты, состоящей из 11 атомов углерода?

8. Окисление пальмитата, меченного тритием.

Пальмитат, равномерно меченный тритием (³Н) до активности 2,48 • 10⁸ имп./мин на микромоль пальмитата, добавлен в препарат митохондрий, где он окисляется до ацетил-СоА. Ацетил-СоА выделяют и гидролизуют до ацетата. Специфическая активность изолированного ацетата составляет 1,00 • 10⁷ имп./(мин • моль). Связан ли этот результат с β-окислением? Объясните. Какая конечная судьба удаленного трития?

9. Компартментация в β-окислении.

Прежде чем окислиться в митохондриях, свободный пальмитат в цитозоле активируется до производного с коферментом А (пальмитоил-СоА). Если пальмитат и [¹⁴С] кофермент А добавить в гомогенат печени, пальмитоил-СоА, выделенный из цитозольной фракции, будет радиоактивным, чего не случается с пальмитоил-СоА из митохондриальной фракции. Объясните результат.

10. Сравнительная биохимия: энергообразующие пути у птиц.

Одним из указаний на относительное значение различных АТР-образующих путей является V_mах ферментативных путей. Для некоторых ферментов грудных мышц (мышц грудной клетки, которые используются в полете) голубя и фазана ниже приведены значения V_mах.

а) Сравните роль метаболизма гликогена и жиров при образовании АТР в грудных мышцах этих птиц.

б) Сравните потребление кислорода у двух птиц.

в) На основании данных таблицы сделайте вывод, какая из птиц летит на большие расстояния? Обоснуйте свой ответ.

г) Почему для сравнения были выбраны эти специфические ферменты? Активности триозофосфатизомеразы и малатдегидрогеназы одинаково хороши для сравнения? Объясните.

11. Мутация карнитин-ацилтрансферазы.

Какие изменения метаболизма повлечет за собой мутация мышечной карнитин-ацилтрансферазы I, при которой мутантный белок теряет сродство к малонил-СоА, но сохраняет свою каталитическую активность?

12. Эффект дефицита карнитина.

У пациента развилось состояние, характеризуемое прогрессирующей слабостью мышц и болезненными мышечными спазмами. Голодание, упражнения и жирная пища усиливали симптомы. Гомогенат пробы из скелетной мышцы пациента окислял добавленный в него олеат медленнее, чем контрольные гомогенаты, состоящие из образцов мышц здоровых людей. При добавлении карнитина в мышечный гомогенат пациента скорость окисления карнитина равна скорости в контрольном гомогенате. Пациенту был поставлен диагноз «дефицит карнитина».

а) Почему добавление карнитина увеличивает скорость окисления олеата в мышечном гомогенате пациента?

б) Почему голодание, упражнения и жирная пища обостряли симптомы пациента?

в) Предположите две возможные причины дефицита карнитина в мышцах такого человека.

13. Жирные кислоты в качестве источника воды.

Вопреки бытующим представлениям, верблюды не хранят воду в своих горбах, на самом деле в горбах находятся большие запасы жира. Каким образом этот жир может служить источником воды? Вычислите количество воды (в литрах), которое может образоваться в организме верблюда из 1,0 кг жира. Примите для простоты, что жир целиком состоит из трипальмитоилглицерина.

14. Нефть как источник пищи для микробов.

Некоторые микроорганизмы родов Nocardia и Pseudomonas способны расти в среде, где углеводороды служат единственным источником пищи. Эти бактерии окисляют алифатические углеводороды нормального строения, например, октан, в соответствующие карбоновые кислоты:

СН₃(СН₂)₆СН₃ + NAD⁺ + O₂ ⇄ СН₃(СН₂)₆СООН + NADH + Н⁺

Как эти бактерии можно использовать для очистки разливов нефти? Какие факторы способны ограничить эффективность этого процесса?

15. Метаболизм жирной кислоты с неразветвленной цепью, соединенной с фенилом.

Из мочи кролика, которого кормили жирной кислотой с неразветвленной цепью с фенильной группой на конце, был выделен кристаллический метаболит.

Проба метаболита 302 мг в водном растворе была полностью нейтрализована при добавлении 22,2 мл 0,100 М NаОН.

а) Каковы возможные масса и структура метаболита?

б) Четное или нечетное число метиленовых групп (-СН₂^-)n (n — четное или нечетное) содержит жирная кислота с неразветвленной цепью? Объясните.

16. Окисление жирных кислот и неконтролируемый диабет.

Если количество ацетил-СоА, образованного в процессе β-окисления в печени, превышает емкость цикла трикарбоновых кислот, из его избытка образуются кетоновые тела — ацетон, ацетоацетат и D-β-гидроксибутират. Это происходит при голодании и неконтролируемом диабете: поскольку ткани не могут воспользоваться глюкозой, вместо этого окисляются в больших количествах жирные кислоты. Хотя ацетил-СоА и не токсичен, митохондрии должны превращать ацетил-СоА в кетоновые тела. Какая проблема возникла бы, если ацетил-СоА не мог бы превращаться в кетоновые тела? Каким образом превращение в кетоновые тела решает проблему?

17. Последствия диеты с высоким содержанием жиров и отсутствием углеводов.

Допустим, вы вынуждены есть пищу, состоящую из тюленьего и китового жира, с низким содержанием или вообще отсутствием углеводов.

а) Как нехватка углеводов должна сказаться на утилизации жиров для получения энергии?

б) Если в вашем рационе питания вообще отсутствовали бы углеводы, было лучше потреблять жирные кислоты с четным или нечетным числом атомов углерода? Объясните.

18. Пищевая роль жирных кислот с четным и нечетным числом атомов углерода.

В лабораторном эксперименте две группы крыс на протяжении месяца получали в качестве единственного источника углерода два разных типа жирных кислот. Первая группа животных получала энантовую (гептановую) кислоту (7:0), а вторая группа — каприловую (октановую) кислоту (8:0). В конце эксперимента обнаружилось удивительное различие в состоянии животных двух групп: животные первой группы были здоровы и прибавили в весе, тогда как животные второй группы были слабыми и похудевшими из-за потери мышечной массы. Какова биохимическая причина подобного различия?

19. Метаболические последствия поглощения ω-фторолеата.

Кустарник Dichapetalum toxicarium, растущий в Сьерра-Леоне, образует ω-фторолеат, который очень токсичен для теплокровных животных.

Это вещество использовалось в качестве яда для стрел, а измельченные плоды этого растения иногда используют в качестве яда для крыс. Почему это вещество такое токсичное? (Подсказка. См. гл. 16, задачу 22.)

20. Мутантная ацетил-СоА-карбоксилаза.

Как изменится метаболизм жиров при мутации ацетил-СоА-карбоксилазы, в результате которой остаток Ser, в норме фосфорилируемый АМРК, заменен остатком Ala? Что произойдет, если тот же остаток Ser заменить остатком Asp? (Подсказка. См. рис. 17-12.)

21. Влияние ингибитора ФДЭ на адипоциты.

Как изменится реакция адипоцитов на адреналин в присутствии ингибитора с AMР-фосфо диэстеразы (ФДЭ)? (Подсказка. См. рис. 12-4.)

22. FAD в качестве акцептора электронов.

Ацил- СоА-дегидрогеназа в качестве простетической группы для дегидрирования α- и β-углеродов ацил-СоА-производных жирных кислот использует ферментативно связанный FAD. В чем состоит преимущество использования в качестве акцептора электронов FAD, а не NAD⁺? Объясните на основе стандартных восстановительных потенциалов полуреакций Enz-FAD/FADH₂ (E′° = -0,219 В) и NAD⁺/NADH (E′° = -0,320 В).

23. β-Окисление арахидоновой кислоты.

Сколько раз надо пройти через цикл окисления жирных кислот для полного окисления арахидоновой кислоты (см. табл. 10-1) до ацетил-СоА?

24. Путь меченого пропионата.

Если [3-¹⁴С] пропионат (¹⁴С в метальной группе) добавить в гомогенат печени, быстро образуется ¹⁴С-меченый оксалоацетат. Нарисуйте схему пути, по которому пропионат превращается в оксалоацетат, а также укажите место локализации изотопа ¹⁴С в оксалоацетате.

25. Метаболизм фитановой кислоты.

Если кормить мышей фитановой кислотой, равномерно меченной изотопом ¹⁴С, через несколько минут радиоактивная метка обнаруживается в малате — промежуточном продукте цикла лимонной кислоты. Изобразите схему данного метаболического пути. Какие атомы углерода в малате будут содержать метку ¹⁴С?

26. Источники воды, образующейся при β-окислении.

Полное окисление пальмитоил-СоА до углекислого газа и воды описывается общим уравнением

Пальмитоил-СоА + 23 O₂ + 10 P_i + 108 ADP —> СоА + 16 СO₂ + 108 АТР + 23 Н₂O

Вода также образуется в реакции

ADP + P_i —> АТР + Н₂O

однако не входит в качестве продукта в общее уравнение. Почему?

27. Биологическое значение кобальта.

В рубце крупного рогатого скота, оленей, овец и других жвачных животных путем бактериальной ферментации поглощенной растительной массы в огромных количествах образуется пропионат. Для этих животных пропионат является основным источником глюкозы, которая образуется по схеме пропионат —> оксалоацетат —> глюкоза. В некоторых областях Земного шара, особенно в Австралии, у жвачных животных иногда наблюдаются симптомы анемии с сопутствующей потерей аппетита и замедленным ростом, которые возникают из-за неспособности превращать пропионат в оксалоацетат. Такое состояние обусловлено дефицитом кобальта, вызванным очень низким его содержанием в почве, а, следовательно, и в растительном веществе. Объясните.

28. Потеря жира во время зимней спячки.

В периоды зимней спячки, которая может длиться семь месяцев, медведи расходуют примерно 25 • 10⁶ Дж/сут. Энергию, необходимую для поддержания жизни, дает окисление жирных кислот. Какой окажется потеря массы тела животного (в килограммах) через семь месяцев? Каким образом можно минимизировать кетоз во время спячки? (Примите, что окисление жиров дает 38 кДж/г.)

Анализ экспериментальных данных

29. β-Окисление транс-жирных кислот.

Ненасыщенные жиры с транс-двойными связями часто кратко называют просто «трансжирами». О влиянии трансжиров из пищи на здоровье человека велись долгие дискуссии. В своей работе, посвященной влиянию метаболизма трансжиров на состояние здоровья, Йу с коллегами (2004) показали, что модельные транс- цис-жирные кислоты претерпевают в организме неодинаковые превращения. Исследователи использовали три родственные 18-членные жирные кислоты, чтобы показать различие в реакциях β-окисления цис- и трансизомеров жирных кислот одинакового размера.

Исследователи инкубировали СоА-производные каждой кислоты с митохондриями из печени крыс в течение 5 мин, а затем методом ВЭЖХ разделяли оставшиеся производные СоА из каждой смеси. Результаты экспериментов для всех трех случаев представлены ниже.

После проведения реакции к смеси добавляли внутренний стандарт (ВС) — пентадеканоил-СоА. Другие сокращения: С₁₈-СоА — стеарил-СоА; цис- ∆⁵С₁₄-СоА — цис-∆⁵-тетрадеценоил-СоА; цис- ∆⁹С∆₁₈-СоА — олеил-СоА; транс-∆⁵С₁₄-СоА — транс-∆⁵-тетрадеценоил-СоА; и элаидоил-СоА, транс- ∆⁹С₁₈-Со А.

а) Почему Йу с коллегами для своих экспериментов пришлось использовать СоА- производные жирных кислот, а не свободные жирные кислоты?

б) Почему в реакции со стеарил-СоА не обнаружено низкомолекулярных производных СоА?

в) Сколько циклов β-окисления необходимо для превращения олеил-СоА и элаидоил- СоА в цис-Д⁵-тетрадеценоил-СоА и транс-∆⁵- тетрадеценоил-СоА соответственно?

Существуют две формы фермента ацил- СоА-дегидрогеназы (см. рис. 17-8, а): ацил- СоА-дегидрогеназа жирных кислот с длинной цепью (LСАD) и ацил-СоА-дегидрогеназа сверхдлинных кислот (VLCAD). Йу с соавторами определяли кинетические параметры для обоих ферментов. Они использовали СоА- производные трех жирных кислот: тетрадеценоил-СоА (С₁₄-СоА), цис-∆⁵-тетрадеценоил-СоА (цис-∆⁵С₁₄-СоА) и транс-∆5-тетрадеценоил-СоА (транс-∆⁵С₁₄-СоА). Результаты экспериментов представлены ниже. (Определения кинетических параметров см. в гл. 6.)

г) Для LСАD величины К_м сильно различаются в случае цис- и транс-субстратов. Как можно объяснить это наблюдение, учитывая строение молекулы каждого субстрата. (Подсказка. Можно обратиться к рис. 10-2.)

д) Кинетические параметры действия двух ферментов описывают превращения соответствующих жирных кислот только в том случае, если катализируемые LСАD и МСАD (или обоими ферментами) реакции являются скорость лимитирующими стадиями процесса. Так ли это в данном случае и почему?

е) Как различие в кинетических параметрах объясняет различие в содержании производных СоА, обнаруженных после инкубации митохондрий печени крыс со стеарил-СоА, олеил-СоА и элаидоил-СоА (см. рис.)?

Йу с сотр. определяли субстратную специфичность митохондриальной тиоэстеразы из печени крыс, которая катализирует гидролиз ацил- СоА до СоА и свободной жирной кислоты (см. гл. 21). Этот фермент оказался примерно вдвое более активным к тиоэфирам С₁₄-СоА по сравнению с тиоэфирами С₁₈-СоА.

ж) Другие исследователи предположили, что свободные жирные кислоты способны проникать через мембраны. Йу с сотр. обнаружили транс-∆⁵- тетрадеценовую кислоту вне митохондрий (т. е. в реакционной среде), которые инкубировали с элаидоил-СоА. Опишите путь появления этой внемитохондриальной транс-∆⁵-тетрадеценовой кислоты. Укажите, в каких частях клетки происходят соответствующие превращения и какие именно ферменты их катализируют.

з) В популярной литературе часто пишут, что «трансжиры не расщепляются клетками организма, а накапливаются в нем». В каком смысле это утверждение справедливо, а в каком оно является слишком сильным упрощением?