БЕТА-ОКИСЛЕННЯ ЖИРНИХ КИСЛОТ: ЕТАПИ, РЕАКЦІЇ, ПРОДУКТИ, РЕГУЛЮВАННЯ - БІОЛОГІЯ - 2025

Бета - окислення жирних кислот є шлях катаболізму (деградація) жирних кислот, основною функцією є виробництво або «вивільнення» енергії , що міститься в облігації цих молекул.

Цей шлях був відкритий в 1904 році завдяки експериментам, проведеним німецьким Францом Кнупом, який полягав у введенні експериментальним щурам жирних кислот, остаточна метильна група яких була модифікована фенільною групою.

Схема бета-окислення жирних кислот (Джерело: Артуро Гонсалес Лагуна через Wikimedia Commons)

Knoop очікував, що продукти катаболізму цих "аналогових" жирних кислот будуть йти шляхом, подібним шляху окислення нормальних (немодифікованих природних) жирних кислот. Однак він виявив, що в продуктах, отриманих у залежності від кількості атомів вуглецю жирних кислот, існують відмінності.

З цими результатами Knoop запропонував, що деградація відбулася "етапами", починаючи з "атаки" на β-вуглець (той, що знаходиться в положенні 3 відносно кінцевої карбоксильної групи), вивільняючи фрагменти двох атомів вуглецю.

Пізніше було показано, що процес потребує енергії у вигляді АТФ, який виробляється в мітохондріях і що фрагменти двох атомів вуглецю надходять у цикл Кребса як ацетил-КоА.

Коротше кажучи, бета-окислення жирних кислот передбачає активацію кінцевої карбоксильної групи, транспортування активованої жирної кислоти в мітохондріальну матрицю та двоступеневе вуглецеве "ступінчасте" окислення з карбоксильної групи.

Як і багато анаболічних та катаболічних процесів, цей маршрут є регульованим, оскільки він заслуговує на мобілізацію "резервних" жирних кислот, коли інші катаболічні шляхи недостатньо для задоволення потреб в клітинах та енергії організму.

Кроки та реакції

Жирні кислоти знаходяться переважно в цитозолі, незалежно від того, чи надходять вони з біосинтетичних шляхів або з жирових відкладень, які зберігаються з їжі, що потрапляє в їжу (яка повинна надходити в клітини).

- Активація жирних кислот і транспортування до мітохондрій

Активація жирних кислот вимагає використання молекули АТФ і пов'язана з утворенням кон'югатів ацилтіоефіру з коензимом А.

Ця активація каталізується групою ферментів, званих ацетил-CoA лігазами, характерними для довжини ланцюга кожної жирної кислоти. Деякі з цих ферментів активують жирні кислоти під час їх транспортування в мітохондріальну матрицю, коли вони вбудовуються у зовнішню мітохондріальну мембрану.

Активація жирних кислот (Джерело: Jag123 в англійській Вікіпедії через Wikimedia Commons)

Процес активації відбувається в два етапи, спочатку утворюється ациладенилат з активованої жирної кислоти з АТФ, де виділяється молекула пірофосфату (PPi). Потім карбоксильна група, активована АТФ, атакується тіоловою групою коензиму А, утворюючи ацил-КоА.

Транслокація ацил-КоА через мітохондріальну мембрану досягається транспортною системою, відомою як карнітиновий човник.

- Бета-окислення насичених жирних кислот з парною кількістю атомів вуглецю

Деградація жирних кислот - циклічний шлях, оскільки вивільнення кожного фрагмента з двох атомів вуглецю негайно слідує за іншим, до досягнення повної довжини молекули. Реакції, які беруть участь у цьому процесі, такі:

- Дегідрування.

- Гідратація подвійного зв'язку.

- Дегідрування гідроксильної групи.

- Фрагментація шляхом нападу молекули ацетил-КоА на β вуглець.

Реакція 1: перше дегідрування

Він складається з утворення подвійної зв'язку між α-вуглецем і β-вуглецем шляхом усунення двох атомів водню. Він каталізується ферментом ацил-CoA дегідрогеназою, який утворює молекулу транс-2-еноіл-S-CoA і молекулу FAD + (кофактор).

Реакції 2 і 3: гідратація та дегідрування

Гідратація каталізується еноїл-CoA гідратазазою, тим часом дегідрування опосередковується 3-гідроксіацил-CoA дегідрогеназою, і остання реакція залежить від кофактора NAD +.

Гідратація транс-2-еноіл-S-CoA спричиняє 3-гідроксіацил-КоА, дегідрування якого виробляє молекулу 3-кетоацил-КоА та NADH + H.

FADH2 і NADH, що утворюються в перших трьох реакціях бета-окислення, повторно окислюються через ланцюг транспорту електронів, завдяки чому вони беруть участь у виробництві АТФ, 2 молекули для кожного FADH2 і 3 молекули для кожної NADH.

Реакція 4: фрагментація

Кожен цикл бета-окислення, який видаляє молекулу з двома атомами вуглецю, закінчується «тіолітичним» розщепленням кетовуглецю, який атакується коензимом А у зв’язку між α і β вуглецем.

Ця реакція каталізується ферментом β-кетотіолази або тіолази, а її продуктами є одна молекула ацил-КоА (активована жирна кислота з двома меншими атомами вуглецю) та одна з ацетил-КоА.

- Бета-окислення насичених жирних кислот з непарною кількістю атомів вуглецю

У жирних кислотах з непарною кількістю атомів вуглецю (яких не дуже багато) молекула останнього циклу деструкції містить 5 атомів вуглецю, тому її фрагментація утворює молекулу ацетил-КоА (яка входить у цикл Кребса) та інший пропіоніл-КоА.

Пропіоніл-КоА повинен бути карбоксильований (реакція залежить від АТФ і бікарбонату) ферментом пропіоніл-КоА карбоксилаза, утворюючи таким чином з'єднання, відоме як D-метилмалоніл-КоА, яке повинно бути епімерізовано до своєї "L" форми.

Бета-окислення жирних кислот із непарними номерами (Джерело: Eleska через Wikimedia Commons)

Потім з'єднання, отримане в результаті епімеризації, перетворюється в сукциніл-КоА дією ферменту L-метилмалоніл-КоА-мутази, і ця молекула, як і ацетил-КоА, вступає в цикл лимонної кислоти.

- Бета-окислення ненасичених жирних кислот

Багато клітинних ліпідів мають ненасичені ланцюги жирних кислот, тобто вони мають один або більше подвійних зв’язків між своїми атомами вуглецю.

Окислення цих жирних кислот дещо відрізняється від насичених жирних кислот, оскільки два додаткові ферменти, еноїл-КоА ізомераза та 2,4-дієноїл-КоА редуктаза, відповідають за усунення цих ненасичень, так що ці жирні кислоти може бути субстратом для ферменту еноїл-CoA гідратази.

Бета-окислення ненасичених жирних кислот (Джерело: Hajime7basketball через Wikimedia Commons)

Ізомераза Enoyl-CoA діє на мононасичені жирні кислоти (лише з одним ненасиченням), тим часом фермент 2,4-диеноїл-КоА редуктаза реагує з поліненасиченими жирними кислотами (з двома або більше ненасиченнями).

- Бета-екстрамітохондріальне окислення

Бета-окислення жирних кислот може також відбуватися всередині інших цитозольних органел, таких як пероксисоми, наприклад, з тією різницею, що електрони, які передаються FAD +, не надходять у дихальний ланцюг, а безпосередньо в кисень.

Ця реакція утворює перекис водню (кисень знижується), сполуку, яка виводиться ферментом каталази, специфічним для цих органел.

Продукти бета-окислення

Окислення жирної кислоти виробляє набагато більше енергії, ніж розпад вуглеводів. Основним продуктом бета-окислення є ацетил-КоА, що утворюється на кожному етапі циклічної частини шляху, однак, інші продукти є:

- AMP, H + і пірофосфат (PPi), що утворюються під час активації.

- FADH2 і NADH, для кожного виробленого ацетил-КоА.

- Succinyl-CoA, ADP, Pi, для жирних кислот непарних ланцюгів.

Бета-окислення пальмітинової кислоти (Джерело: "Роїнбхт через Wikimedia Commons")

Якщо ми розглянемо в якості прикладу повне бета-окислення пальмітинової кислоти (пальмітат), жирної кислоти з 16 атомами вуглецю, кількість виробленої енергії еквівалентна більш-менш 129 молекулам АТФ, які виходять із 7 витків, які вона повинна завершити. цикл.

Регулювання

Регуляція бета-окислення жирної кислоти в більшості клітин залежить від енергетичної доступності, пов'язаної не тільки з вуглеводами, але і з самими жирними кислотами.

Тварини контролюють мобілізацію і, отже, розщеплення жирів за допомогою гормональних подразників, які одночасно контролюються молекулами, такими як цАМФ.

У печінці, головному органі розщеплення жиру, концентрація малоніл-КоА надзвичайно важлива для регуляції бета-окислення; це перший субстрат, що бере участь у шляху біосинтезу жирних кислот.

Коли малоніл-КоА накопичується у великих кількостях, він сприяє біосинтезу жирної кислоти та інгібує мітохондріальний транспортер або ацил-карнітиновий човник. Коли його концентрація знижується, гальмування припиняється і активується бета-окислення.

Список літератури

1. Mathews, C., van Holde, K., & Ahern, K. (2000). Біохімія (3-е видання). Сан-Франциско, Каліфорнія: Пірсон.
2. Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Принципи біохімії Ленінгера. Видання «Омега» (5-е видання).
3. Rawn, JD (1998). Біохімія. Берлінгтон, Массачусетс: Видавництво Ніла Паттерсона.
4. Шульц, Х. (1991). Бета-окислення жирних кислот. Biochimica et Biophysica Acta, 1081, 109–120.
5. Шульц, Х. (1994). Регулювання окислення жирної кислоти в серці. Критичний огляд, 165–171.
6. Schulz, H., & Kunau, W. (1987). Бета-окислення ненасичених жирних кислот: переглянутий шлях. ТІБС, 403-406.