Основы молекулярной биологии. Часть 1: Молекулярная биология клетки - А.Н. Огурцов 2011

Окисление глюкозы и жирных кислот
Окисление жирных кислот

Жирные кислоты хранятся в организме в составе триацилглицеролов, главным образом в виде капельных включений в клетках жировой ткани, адипоцитах. В ответ на появление гормонов таких, как адреналин, триацилглицеролы гидролизуются в цитозоле на жирные кислоты и глицерин (рисунок 159).

Рисунок 159 - Схема гидролиза триацилглицеролов

Затем жирные кислоты попадают в кровь и используются (окисляются) в большинстве клеток организма, являясь главным источником энергии. В частности, в человеческом организме окисление жирных кислот количественно даёт больше АТФ, чем метаболизм глюкозы. Окисление 1 грамма триацилглицеролов до СО₂ дает в шесть раз больше АТФ, чем при окислении 1 грамма гликогена.

Триацилглицеролы являются более эффективными для запасания энергии по сравнению с углеводами, поскольку в них углероды в цепях —(Н—С—Н)_n— намного более восстановлены, чем углероды в группах -(Н-С-ОН)- в углеводах, и поэтому их окисление дает больше энергии.

В цитозоле жирные кислоты этерифицируются с коферментом А, и в реакции, сопряженной с гидролизом АТФ, образуются активированные жирные кислоты в форме ацил-СоА:

Последующий гидролиз пирофосфата РР_i завершает эту реакцию. Затем фермент карнитин-ацилтрансфераза присоединяет активированную жирную кислоту к карнитину (рисунок 160).

Рисунок 160 - Схема формирования ацилкарнитина

7.9.1. Окисление жирных кислот в митохондриях. В форме ацилкарнитина жирная кислота переносятся через внутреннюю мембрану митохондрии ацилкарнитиновым транспортным белком (рисунок 154, слева). В матриксе жирная кислота отделяется от карнитина и вновь присоединяется к коферменту А, образуя ацил-СоА.

В циклической последовательности из четырех реакций каждая молекула жирнокислотного ацил-СоА в митохондриальном матриксе окисляется, укорачиваясь в каждом цикле на две СН₂-группы и формируя ацетил-СоА; при этом образуются НАДН и ФАДН₂ (рисунок 161(a)).

Например, митохондриальное окисление каждой 18-углеродной молекулы стеариновой кислоты СН₃(СН₂)₁₆СООН приводит к образованию 9 молекул ацетил-СоА, 9 молекул НАДН и 9 молекул ФАДН₂.

Синтезированные в ходе такого окисления молекулы ацетил-СоА используются далее в цитратном цикле, где они окисляются до СO₂.

А те электроны, которые высвобождаются с восстановленных коферментов (которые в свою очередь образуются в процессах окисления жирнокислотных ацил-СоА до ацетил-СоА, и затем в цитратном цикле при окислении ацетил-СоА до СO₂, в составе НАДН и ФАДН₂ доставляются к дыхательной цепи), перемещаются по дыхательной цепи и, в финале, присоединяются к кислороду формируя молекулярный кислород O₂. Этот перенос электронов энергетически сопряжен с процессами создания протондвижущей силы, которая используется затем для синтеза АТФ.

Рисунок 161 - Схема процессов окисления жирных кислот: a - в матриксе митохондрий (левая часть рисунка); б - в пероксисомах (правая часть рисунка)

7.9.2. Окисление жирных кислот в пероксисомах. В пероксисомах, так же как и в митохондриях, происходят процессы окисления жирных кислот. Пероксисомы присутствуют во всех клетках млекопитающих, кроме эритроцитов, в растениях, дрожжах - вероятно, они есть во всех эукариотических клетках. Именно пероксисомы ответственны за окисление основного количества жирных кислот. Причем жирные кислоты с длинной углеводородного хвоста более 20 групп СН₂ окисляются исключительно в пероксисомах. В клетках млекопитающих жирные кислоты средних размеров (10-20 групп СН₂) деградируют как в митохондриях, так и в пероксисомах.

В отличие от митохондрий, где окисление жирных кислот сопряжено с процессами синтеза АТФ, в пероксисомах процессы окисления не связаны с образованием АТФ, а выделяющаяся энергия просто рассеивается в виде тепла.

В пероксисомах последовательность реакций, в которых жирные кислоты деградируют до ацетил-СоА, подобна тем, которые протекают в митохондриях (рисунок 161(6)). Но в пероксисомах нет дыхательных цепей, и электроны от молекул ФАДН₂, образованных при окислении жирных кислот, переносятся на O₂ двумя ферментами - сначала ферментом оксидаза, который регенерирует молекулы ФАД и синтезирует молекулы перекиси водорода Н_2O2, затем, поскольку перекись водорода является токсичным метаболитом, она немедленно разлагается ферментом каталаза.

Образованные в ходе окисления жирных кислот молекулы НАДН выводятся из пероксисомы и затем окисляются в НАД⊕ в цитозоле. В пероксисомах нет ферментов нитратного цикла, поэтому образующиеся в результате окисления жирных кислот молекулы ацетил-СоА выводятся из пероксисомы в цитозоль и используются затем в синтезе холестерола и других метаболитов.

Вопросы для самоконтроля

1. Какова роль АТФ в обеспечении клеточных процессов энергией, необходимой для протекания эндергонических реакций?

2. В ходе каких процессов получают энергию, необходимую для протекания реакции синтеза АТФ из АДФ и Р_i?

3. Что такое хемиосмос?

4. Что такое протондвижущая сила? В ходе каких процессов она создается?

5. Какие белки используют протондвижущую силу для синтеза АТФ?

6. Как ориентирована АТФ-синтаза в мембране митохондрий, хлоропластов и бактерий?

7. В чем заключается эндосимбиотическая гипотеза?

8. В каких формах запасается химическая потенциальная энергия в биоэнергетических процессах?

9. Чем различаются АТФ-насосы, ионные каналы и переносчики?

10. Какой трансмембранный транспорт называется активным?

11. Чем различаются унипорт, симпорт и антипорт?

12. Чем отличается вторичный активный транспорт от активного транспорта?

13. Сравните скорость переноса молекул через мембрану АТФ- насосами, ионными каналами и вторичными активными транспортёрами.

14. Сколько молекул АТФ синтезируется в результате полного аэробного окисления одной молекулы глюкозы?

15. Что такое гликолиз? Запишите полное уравнение гликолиза.

16. В чем сходство и различие процессов окисления никотинамида-дениндинуклеотида и флавинадениндинуклеотида?

17. Что такое субстратное фосфорилирование? На каких этапах гликолиза происходит субстратное фосфорилирование?

18. В чем отличие метаболизма глюкозы в клетках облигатных аэробов и факультативных анаэробов?

19. Какой вид метаболизма глюкозы называется ферментацией? Чем ферментация отличается от гликолиза?

20. В чем отличие анаэробного метаболизма глюкозы в клетках дрожжей от анаэробного метаболизма глюкозы в клетках мускулатуры млекопитающих?

21. Какой процесс называется клеточным дыханием?

22. Какие энергетические процессы связаны с внутренней мембраной митохондрии?

23. Назовите три основные группы реакций в процессе окисления пирувата и жирных кислот в митохондриях.

24. Какова роль цитратного цикла в клеточном дыхании?

25. Какова роль ацетил-СоА в цикле трикарбоновых кислот?

26. На каком этапе цикла Кребса происходит субстратное фосфорилирование?

27. Сколько молекул коферментов НАДН и ФАДН₂ восстанавливается из расчета на одну молекулу глюкозы суммарно в гликолизе и цитратном цикле?

28. Какой митохондриальный мембранный комплекс осуществляет перенос электронов с НАДН цитозоля на НАДН матрикса митохондрии?

29. Из каких компонентов состоит малат-аспартатный шаттл?

30. Каким образом в процессе митохондриального окисления жирных кислот эти кислоты попадают из цитозоля в матрикс митохондрии? Какова роль в этом процессе ацил-СоА?

31. В чем отличие процесса окисления жирных кислот в пероксисомах от аналогичного процесса в митохондриях?

32. Какова роль фермента каталаза в процессе окисления жирных кислот в пероксисомах?