Основы биохимии Том 2 - А. Ленинджер 1985

Биоэнергетика и метаболизм
Окисление жирных кислот в тканях животных
Краткое содержание главы

Значительную часть энергии, извлекаемой в процессе окисления, животный организм получает из жирных кислот, входящих в состав липидов. Свободные жирные кислоты сначала активируются путем взаимодействия их с коферментом А, в результате чего на наружной митохондриальной мембране образуются соответствующие СоА-эфиры. Эти СоА-эфиры превращаются затем в эфиры жирной кислоты и карнитина, способные проникать через внутреннюю митохондриальную мембрану в матрикс митохондрии, где из них снова образуются СоА-эфиры жирных кислот. Все последующие этапы окисления жирных кислот, в которых эти жирные кислоты участвуют в форме соответствующих СоА- эфиров, протекают в митохондриальном матриксе. Для того чтобы от карбоксильного конца СоА-эфира насыщенной жирной кислоты могла отщепиться одна молекула ацетил-СоА, требуется четыре ферментативных этапа: 1) дегидрирование 2-го и 3-го атома углерода, катализируемое FAD-зависимыми ацил-СоА—дегидрогеназами; 2) гидратация возникшей в результате дегидрирования транс-∆²-двойной связи под действием еноил-СоА—гидратазы; 3) дегидрирование образовавшегося L-3-гидроксиацил-СоА, катализируемое NAD-зависимой 3-ги- дроксиацил-СоА—дегидрогеназой, и 4) расщепление образовавшегося ß-кетоацил-СоА, требующее присутствия свободного СоА и осуществляемое тиолазой; эта реакция дает одну молекулу ацетил-СоА и СоА-эфир жирной кислоты. содержащей на два атома углерода меньше, чем исходная жирная кислота. СоА-эфир укороченной жирной кислоты может снова вступить в тот же цикл и утратить в нем еще одну молекулу ацетил-СоА. Из 16-углеродной пальмитиновой кислоты получается таким путем восемь молекул ацетил-СоА, окисляющихся затем до СО₂ через цикл лимонной кислоты. Значительная часть стандартной свободной энергии окисления пальмитиновой кислоты запасается в процессе окислительного фосфорилирования в виде энергии АТР. В окислении ненасыщенных жирных кислот участвуют два дополнительных фермента - еноил-СоА—изомераза и ß-гидроксиацил-СоА—эпимераза, превращающая D-стереоизомеры соответствующих 3-гидроксиацил-СоА в L-стереоизомеры. Жирные кислоты с нечетным числом атомов углерода окисляются по тому же основному пути, но при их окислении получается одна молекула пропионил-СоА, которая затем карбоксилируется с образованием метилмалонил-СоА. Последний превращается в сукцинил-СоА в результате очень сложной реакции изомеризации, катализируемой метилмалонил-СоА—мутазой, для действия которой необходим кофермент В₁₂. Образующиеся в печени кетоновые тела-ацетоацетат, D-ß-гидроксибутират и ацетон - доставляются к другим тканям, превращаются здесь в ацетил-СоА и окисляются через цикл лимонной кислоты. Окисление жирных кислот в печени регулируется скоростью поступления ацильных групп в митохондрии. Специфическая регуляция достигается при помощи малонил-СоА, вызывающего аллостерическое ингибирование карнитин-ацилтрансферазы I. Малонил-СоА-первый промежуточный продукт биосинтеза жирных кислот, протекающего в цитозоле. Когда животное получает пищу, богатую углеводами, окисление жирных кислот подавляется, а их синтез усиливается.

ЛИТЕРАТУРА

Книги

Cunningham Е.В. Biochemistry: Mechanisms of Metabolism, McGraw-Hill, New York, 1978. В гл. 12 химизм и энзимология окисления жирных кислот описаны более подробно.

Статьи

Greville D. G., Tubbs Р. V. Catabolism of Long-Chain Fatty Acids in Mammalian Tissue, Essays Biochem., 4, 155-212 (1968). Один из первых обзоров; важен как основа для дальнейших работ в этой области.

McGarry J. D., Leatherman G. F., Foster D. W. Carnitine Palmitoyltransferase I. The Site of Inhibition of Hepatic Fatty Acid Oxidation by Malonyl-CoA, J. Biol. Chem., 253, 4128-4136 (1978).

Williamson D. H. Recent Developments in Ketone Body Metabolism, Biochem. Soc. Proc., 7, 1313-1321 (1979).

Recent Progress in ß-Oxidation of Fatty Acids, Biochem. Soc. Trans, 7, 68-88 (1978). Полезная серия: статьи, написанные высококвалифицированными специалистами, затрагивают различные аспекты окисления жирных кислот и обмена кетоновых тел.

Вопросы и задачи

1. Энергия, заключенная в триацилглицеролах. Какая часть молекулы триацилглицеролов содержит больше биологически доступной энергии (в расчете на один атом углерода): остатки жирных кислот или остаток глицерола? Как можете вы обосновать свой ответ исходя из химической структуры триацилглицеролов?

2. Запасы топлива в жировой ткани.

а) У взрослого человека, вес которого оставляет 70 кг, 15% веса тела приходится на долю триацилглицеролов. Вычислите общий запас топлива (в килокалориях), содержащегося в организме в форме триацилглицеролов.

б) Как долго мог бы прожить этот человек, если бы единственным источником энергии для его организма было окисление жирных кислот, входящих в состав триацилглицеролов? При этом расчете исходите из того, что суточная потребность взрослого человека в энергии в условиях покоя равна приблизительно 2000 ккал.

в) Какой будет суточная потеря веса при таком голодании?

3. Общие этапы цикла окисления жирных кислот и цикла лимонной кислоты. Аналогичные метаболические превращения часто проходят в клетке через одни и те же ферментативные этапы. Очень сходны, например, этапы окисления пирувата и а-кетоглутарата соответственно до ацетил-СоА и сукцинил-СоА, хотя они и катализируются разными ферментами. На первой стадии окисление жирных кислот проходит через последовательность реакций, очень напоминающую последовательность реакций в цикле лимонной кислоты. Напишите уравнения этих последовательностей реакций, общих для обоих указанных метаболических путей.

4. Химизм ацил-СоА-синтетазной реакции. Жирные кислоты превращаются в соответствующие СоА-эфиры в следующей обратимой реакции:

а) Связанный с ферментом промежуточный продукт этой реакции был идентифицирован как смешанный ангидрид жирной кислоты и аденозинмоно- фосфата (АМР)

Напишите два уравнения для двух последовательных этапов ацил-СоА-синтетазной реакции, в которой промежуточным продуктом служит ацил-АМР. б) Изображенная выше реакция легко обратима; ее константа равновесия близка к 1. Как заставить реакцию идти в сторону образования АМР? В каких условиях будет накапливаться

5. Окисление меченного тритием пальмитата. Равномерно меченный тритием (³Н) пальмитат с удельной активностью 2,48∙10⁸ имп./мин/мкмоль добавили к препарату митохондрий, способному окислять его до ацетил-СоА. Затем ацетил-СоА выделили и подвергли гидролизу, в результате чего был получен ацетат. Удельная активность выделенного ацетата оказалась равной 1,00∙10⁷ имп./мин/мкмоль. Можно ли на основании этих данных считать, что здесь происходило ß-окисление? Поясните свой ответ. Какова конечная судьба удаленного трития?

6. Жирные кислоты как источник воды. Вопреки распространенному мнению горб верблюда вовсе не хранит в себе запаса воды; это просто большой запас жира. Как может этот жир служить источником воды? Вычислите количество воды (в литрах). которое может образоваться в теле верблюда из 1 кг жира. При этом для простоты исходите из того, что весь этот жир представлен трипальмитином.

7. Нефть как пища для микроорганизмов. Некоторые микроорганизмы, принадлежащие к родам Nocardia и Pseudomonas, способны расти в условиях, где единственной их пищей служит нефть. Эти бактерии окисляют алифатические углеводороды с неразветвленной цепью до соответствующих карбоновых кислот, например:

Как можно использовать эти бактерии для ликвидации нефтяных загрязнений?

8. Обмен фенилированной жирной кислоты с неразветвленной цепью. Из мочи кролика, получавшего с пищей жирную кислоту с неразветвленной цепью, меченную фенильной группой по концевому атому углерода, был выделен в кристаллическом виде какой-то метаболит. Водный раствор этого метаболита имел кислую реакцию. Для полной нейтрализации пробы, содержавшей 302 мг данного метаболита, потребовалось 22,2 мл 0,1 М NaOH.

а) Какова вероятная молекулярная масса и структура этого метаболита?

б) Содержит ли жирная кислота, которую скармливали кролику, четное или нечетное число метиленовых (—СН₂—) групп, т. е. является ли n четным или нечетным? Аргументируйте свой ответ.

9. Окисление жирных кислот у больных диабетом. Когда при ß-окислении в печени образуется больше ацетил-СоА, чем может быть окислено через цикл лимонной кислоты, избыток ацетил-СоА направляется на образование кетоновых тел - ацетоацетата, D-ß-гидроксибутирата и ацетона. Именно такое положение существует при тяжелой форме диабета, потому что ткани таких больных неспособны утилизировать глюкозу и вместо этого окисляют большие количества жирных кислот. Хотя ацетил-СоА и нетоксичен, в митохондриях его избыток все же должен переводиться в кетоновые тела. Почему? Каким образом это разрешает возникающую проблему?

10. Последствия от пребывания на рационе с высоким содержанием жиров, но без углеводов. Представьте себе, что вам пришлось бы питаться китовым и тюленьим жиром, а углеводов вы бы при этом почти или даже совсем не получали.

а) Как сказалось бы это отсутствие углеводов в рационе на использовании жиров в качестве источника энергии?

б) При полном отсутствии углеводов в рационе какие жирные кислоты организму выгоднее потреблять - с четным или нечетным числом атомов углерода? Почему?

11. Образование ацетил-СоА из жирных кислот. Напишите сбалансированное суммарное уравнение для образования ацетил-СоА из следующих соединений (в уравнении должны быть учтены все этапы активации);

а) миристоил-СоА;

б) стеариновая кислота;

в) D-ß-гидроксимасляная кислота.

12. Путь меченых атомов при окислении жирных кислот. Пальмитиновая кислота, меченная ¹⁴С в положении 9, окисляется в условиях, в которых действует цикл лимонной кислоты. В каком положении обнаружится ¹⁴С а) в ацетил-СоА, б) в лимонной кислоте и в) в бутирил-СоА? (Исходите в своем ответе из одного оборота цикла лимонной кислоты.)

13. Суммарное уравнение для полного окисления ß-гидроксимасляной кислоты. Напишите суммарное уравнение для полного окисления ß-гидроксимасляной кислоты в почках. Уравнение должно учитывать все необходимые этапы активации и все реакции окислительного фосфорилирования.