БЕТА-ОКИСЛЕНИЕ ЖИРНЫХ КИСЛОТ: СТАДИИ, РЕАКЦИИ, ПРОДУКТЫ, РЕГУЛЯЦИЯ - БИОЛОГИЯ - 2025

Бета - окисления жирных кислот является путь катаболизма (деградация) жирных кислот, основной функцией является производство или «высвобождение» энергии , содержащейся в облигации этих молекул.

Этот путь был открыт в 1904 году благодаря экспериментам, проведенным немцем Францем Кноопом, которые заключались во введении экспериментальным крысам жирных кислот, последняя метильная группа которых была модифицирована фенильной группой.

Схема бета-окисления жирных кислот (Источник: Артуро Гонсалес Лагуна через Wikimedia Commons)

Кнуп ожидал, что продукты катаболизма этих "аналогов" жирных кислот будут идти путями, аналогичными пути окисления нормальных (немодифицированных природных) жирных кислот. Однако он обнаружил различия в получаемых продуктах в зависимости от числа атомов углерода жирных кислот.

Получив эти результаты, Кнуп предположил, что разложение происходит «ступенчато», начиная с «атаки» на β-углерод (один в положении 3 по отношению к концевой карбоксильной группе), высвобождая фрагменты из двух атомов углерода.

Позже было показано, что для этого процесса требуется энергия в форме АТФ, которая вырабатывается в митохондриях, и что фрагменты из двух атомов углерода входят в цикл Кребса в виде ацетил-КоА.

Короче говоря, бета-окисление жирных кислот включает активацию концевой карбоксильной группы, перенос активированной жирной кислоты в матрицу митохондрий и «ступенчатое» окисление два на два углерода карбоксильной группы.

Подобно многим анаболическим и катаболическим процессам, этот путь регулируется, поскольку он заслуживает мобилизации «резервных» жирных кислот, когда другие катаболические пути недостаточны для удовлетворения энергетических потребностей клеток и тела.

Шаги и реакции

Жирные кислоты преимущественно находятся в цитозоле, независимо от того, поступают ли они из биосинтетических путей или из жировых отложений, которые накапливаются из принятой пищи (которые должны проникать в клетки).

- Активация жирных кислот и транспорт в митохондрии

Активация жирных кислот требует использования молекулы АТФ и связана с образованием конъюгатов ацилтиоэфира с коферментом А.

Эта активация катализируется группой ферментов, называемых ацетил-КоА-лигазами, специфичными для длины цепи каждой жирной кислоты. Некоторые из этих ферментов активируют жирные кислоты, поскольку они транспортируются в матрикс митохондрий, поскольку они встроены во внешнюю мембрану митохондрий.

Активация жирных кислот (Источник: Jag123 в английской Википедии через Wikimedia Commons)

Процесс активации происходит в два этапа: сначала производится ациладенилат из активированной жирной кислоты с помощью АТФ, где высвобождается молекула пирофосфата (PPi). Затем карбоксильная группа, активированная АТФ, подвергается атаке тиольной группы кофермента А с образованием ацил-КоА.

Транслокация ацил-КоА через митохондриальную мембрану достигается транспортной системой, известной как карнитиновый челнок.

- Бета-окисление насыщенных жирных кислот с четным числом атомов углерода

Разложение жирных кислот - это циклический путь, поскольку за высвобождением каждого фрагмента из двух атомов углерода немедленно следует другой, пока не будет достигнута полная длина молекулы. В этом процессе участвуют следующие реакции:

- Дегидрирование.

- Гидратация двойной связи.

- Дегидрирование гидроксильной группы.

- Фрагментация за счет атаки молекулы ацетил-КоА на β-углерод.

Реакция 1: первое дегидрирование

Он состоит из образования двойной связи между α-углеродом и β-углеродом путем удаления двух атомов водорода. Он катализируется ферментом ацил-КоА-дегидрогеназой, который образует молекулу транс∆2-еноил-S-КоА и молекулу FAD + (кофактор).

Реакции 2 и 3: гидратация и дегидрирование.

Гидратация катализируется еноил-КоА-гидратазой, в то время как дегидрирование опосредуется 3-гидроксиацил-КоА-дегидрогеназой, и последняя реакция зависит от кофактора НАД +.

Гидратация транс-2-еноил-S-CoA приводит к образованию 3-гидроксиацил-CoA, дегидрирование которого дает молекулу 3-кетоацил-CoA и NADH + H.

FADH2 и NADH, образующиеся в первых трех реакциях бета-окисления, повторно окисляются через цепь переноса электронов, благодаря чему они участвуют в производстве АТФ, по 2 молекулы для каждого FADH2 и 3 молекулы для каждого NADH.

Реакция 4: фрагментация

Каждый цикл бета-окисления, при котором удаляется молекула с двумя атомами углерода, заканчивается «тиолитическим» расщеплением кетоуглерода, который подвергается атаке коферментом А на связи между α и β атомами углерода.

Эта реакция катализируется ферментом β-кетотиолазой или тиолазой, а ее продуктами являются одна молекула ацил-КоА (активированная жирная кислота с двумя меньшими атомами углерода) и одна молекула ацетил-КоА.

- Бета-окисление насыщенных жирных кислот с нечетным числом атомов углерода

В жирных кислотах с нечетным числом атомов углерода (которых не так много), молекула последнего цикла разложения имеет 5 атомов углерода, поэтому при ее фрагментации образуется молекула ацетил-КоА (которая входит в цикл Krebs) и еще один пропионил-КоА.

Пропионил-КоА должен быть карбоксилирован (реакция зависит от АТФ и бикарбоната) ферментом пропионил-КоА-карбоксилазой, тем самым образуя соединение, известное как D-метилмалонил-КоА, которое должно быть эпимеризовано до его L-формы.

Бета-окисление нечетных жирных кислот (Источник: Eleska через Wikimedia Commons)

Затем соединение, образующееся в результате эпимеризации, превращается в сукцинил-КоА под действием фермента L-метилмалонил-КоА мутазы, и эта молекула, так же как ацетил-КоА, входит в цикл лимонной кислоты.

- Бета-окисление ненасыщенных жирных кислот

Многие клеточные липиды имеют цепи ненасыщенных жирных кислот, то есть они имеют одну или несколько двойных связей между их атомами углерода.

Окисление этих жирных кислот немного отличается от окисления насыщенных жирных кислот, поскольку два дополнительных фермента, еноил-КоА-изомераза и 2,4-диеноил-КоА-редуктаза, отвечают за устранение этих ненасыщенных соединений, так что эти жирные кислоты может быть субстратом для фермента еноил-КоА-гидратазы.

Бета-окисление ненасыщенных жирных кислот (Источник: Hajime7basketball через Wikimedia Commons)

Эноил-КоА-изомераза действует на мононенасыщенные жирные кислоты (только с одной ненасыщенностью), в то время как фермент 2,4-диеноил-КоА-редуктаза реагирует с полиненасыщенными жирными кислотами (с двумя или более ненасыщениями).

- Бета внемитохондриальное окисление

Бета-окисление жирных кислот может также происходить внутри других цитозольных органелл, таких как пероксисомы, например, с той разницей, что электроны, которые переносятся на FAD +, доставляются не в дыхательную цепь, а непосредственно в кислород.

В результате этой реакции образуется перекись водорода (снижается содержание кислорода), соединение, которое удаляется ферментом каталазы, специфичным для этих органелл.

Продукты бета-окисления

Окисление жирных кислот дает гораздо больше энергии, чем расщепление углеводов. Основным продуктом бета-окисления является ацетил-КоА, образующийся на каждой стадии циклического участка пути, однако другими продуктами являются:

- АМФ, H + и пирофосфат (PPi), образующиеся при активации.

- FADH2 и NADH для каждого произведенного ацетил-КоА.

- Сукцинил-КоА, АДФ, Pi, для жирных кислот с нечетной цепью.

Бета-окисление пальмитиновой кислоты (Источник: ´Rojinbkht через Wikimedia Commons)

Если мы рассмотрим в качестве примера полное бета-окисление пальмитиновой кислоты (пальмитата), жирной кислоты с 16 атомами углерода, количество произведенной энергии эквивалентно более или менее 129 молекулам АТФ, которые поступают из 7 витков, которые он должен завершить. цикл.

регулирование

Регулирование бета-окисления жирных кислот в большинстве клеток зависит от доступности энергии, связанной не только с углеводами, но и с самими жирными кислотами.

Животные контролируют мобилизацию и, следовательно, расщепление жиров посредством гормональных стимулов, которые в то же время контролируются такими молекулами, как, например, цАМФ.

В печени, главном органе расщепления жира, концентрация малонил-КоА чрезвычайно важна для регуляции бета-окисления; это первый субстрат, участвующий в пути биосинтеза жирных кислот.

Когда малонил-КоА накапливается в больших количествах, он способствует биосинтезу жирных кислот и ингибирует митохондриальный переносчик или челнок ацил-карнитина. Когда его концентрация уменьшается, торможение прекращается и активируется бета-окисление.

Ссылки

1. Мэтьюз, К., ван Холде, К., и Ахерн, К. (2000). Биохимия (3-е изд.). Сан-Франциско, Калифорния: Пирсон.
2. Нельсон, Д. Л., и Кокс, М. М. (2009). Принципы биохимии Ленингера. Omega Editions (5-е изд.).
3. Rawn, JD (1998). Биохимия. Берлингтон, Массачусетс: Нил Паттерсон Паблишерс.
4. Шульц, Х. (1991). Бета-окисление жирных кислот. Biochimica et Biophysica Acta, 1081, 109–120.
5. Шульц, Х. (1994). Регулирование окисления жирных кислот в сердце. Критический обзор, 165–171.
6. Шульц, Х., и Кунау, В. (1987). Бета-окисление ненасыщенных жирных кислот: новый путь. TIBS, 403-406.