Окисление триацилглицеролов

Образовавшийся при ферментативном гидролизе ТАГ глицерол окисляется до фосфотриоз, которые включаются в анаэробную стадию диссимиляции углеводов — гликолиз, в результате чего фосфотриозы могут превратиться в пировиноградную кислоту, которая затем в цикле Кребса окислится до диоксида углерода и воды.

Образовавшиеся жирные кислоты далее подвергаются b-окислению (исследования Ф. Кноопа).

b-Окисление — это специфический для жирных кислот путь окисления, завершающийся превращением жирной кислоты в несколько молекул ацетил-СоА.

При b-окислении углерод, находящийся в b-положении по отношению к карбоксильной группе окисляется с образованием ацетильного радикала и новой жирной кислоты, содержащей на два углеродных атома меньше, чем исходная. Процесс b-окисления жирных кислот осуществляется при участии кофермента А, и все последующие промежуточные продукты процесса окисления жирных кислот представляют собой тиоэфиры кофермента А. Последовательность реакции b-окисления приведена на рис. 43.

Окисление жирных кислот осуществляется в митохондриях и включает пять последовательных реакций.

1. Активирование жирной кислоты:

Рис. 43. Схема b-окисления жирных кислот:

1 — ацил-СоА-синтаза; 2 — ацил-СоА-дегидрогеназа; 3 — еноил-СоА-гидратаза; 4 — 3-гидроксиацил-СоА-дегидрогеназа; 5 — ацетил-СоА-ацилтрансфераза

2. Дегидрирование (окисление) активированной жирной кислоты:

В реакции участвуют аэробные FAD–зависимые дегидрогеназы.

3. Гидратация ненасыщенного еноил-СоА:

Присоединение группы ОН происходит к b-углеродному атому.

4. Дегидрирование (окисление) активированной оксикислоты:

Реакция катализирует анаэробные дегидрогеназы.

5. Отщепление активированной уксусной кислоты (ацетил-СоА):

Образовавшиеся при гидролизе ТАГ под действием липаз свободные жирные кислоты находятся в цитоплазме. Так как мембрана митохондрий непроницаема для жирных кислот, они попадают в матрикс митохондрий после активирования (реакция 1) в виде СоА-эфиров в результате ряда ферментативных превращений под действием фермента карнитинацилтрансферазы.

При действии карнитинацилтрансферазы к спиртовой группе карнитина (СН₃)₃N⁺—CH₂—CHOH—CH₂—COOH присоединяется сложноэфирной связью жирная кислота:

Ацил-СоА + Карнитин ® Ацилкарнитин + СоА-SH.

Ацилкарнитин уже может диффундировать в митохондрию через ее мембрану. В митохондрии карнитин отщепляется, а жирная кислота соединяется с СоА-SH, образуя ацил-СоА.

Образовавшиеся СоА — производные жирных кислот (ацил-СоА), также как и ацетил-СоА, представляют собой высокоэнергетические соединения: их гидролиз до свободной жирной кислоты и СоА-SH сопровождается выделением энергии 31, 4 кДж/моль. Далее происходит последовательное отщепление двухуглеродных фрагментов в виде ацетил-СоА от карбоксильного конца цепи жирной кислоты. Каждый двухуглеродный фрагмент отщепляется в результате цикла ферментативных реакций.

На втором этапе (реакция 2) поступившие в митохондрии СоА-эфиры жирных кислот подвергаются дегидрированию (окислению) по a- и b-атомам углерода под действием фермента ацил-СоА-дегидрогеназы. В результате образуется двойная связь. Отщепляемые атомы водорода переносятся на прочносвязанную простетическую группу фермента ацил-СоА-дегидрогеназы. Восстановленная форма ацил-СоА-дегидрогеназы передает затем пару электронов по короткой дыхательной цепи кислороду, при этом образуются 2 молекулы АТР путем окислительного фосфорилирования ADP.

На третьем этапе (реакция 3) цикла окисления происходит гидратация двойной связи под действием еноил-СоА-гидратазы с образованием b-гидроксиацил-СоА.

На четвертом этапе (реакция 4) происходит дегидрирование (окисление) b-гидроксиацил-СоА под действием 3-гидрокисацил-СоА-дегидрогеназы с образованием b-кетоацил-СоА. Специфическим акцептором электронов служит NAD⁺. Образовавшийся в этой реакции NADH + H⁺ дегидрогеназы отнятый водород передается кислороду воздуха по длинной дыхательной цепи. На каждую пару электронов, переходящих по цепи переноса электронов от NADH + H⁺ к кислороду, образуется 3 молекулы АТР.

На пятом этапе (реакция 5) b-кетоацил-СоА под действием ацетил-СоА-ацетилтрансферазы взаимодействует со свободным СоА-SH и расщепляется с образованием ацетил-СоА (два концевых углеродных атома исходной жирной кислоты) и ацил-СоА жирной кислоты, укороченной на два атома углерода, т. е. углеродная цепь исходной жирной кислоты становится на два атома углерода короче. Образовавшийся СоА-эфир укороченной в первом цикле b-окисления жирной кислоты вступает затем в новый цикл b-окисления, состоящий из тех же этапов, так как процесс b-окисления жирных кислот — это циклический процесс. Для окисления одной молекулы пальмитоил-СоА с образованием 8 молекул ацетил-СоА требуется семь таких циклов. Так как на каждую отщепляемую молекулу ацетил-СоА образуется 5 молекул АТР, то при окислении пальмитиновой кислоты образуется 35 молекул АТР:

Затем ацетил-СоА, образующийся при окислении жирных кислот, окисляется в цикле лимонной кислоты (цикле Кребса) до диоксида углерода и воды. В случае окисления пальмитиновой кислоты в цикле Кребса окисляется 8 молекул ацетил-СоА. Этот процесс сопровождается выделением 96 молекул АТР. Из них 1 молекула АТР используется для начальной стадии активации пальмитиновой кислоты. Следовательно, общий выход АТР на 1 молекулу пальмитиновой кислоты составляет 130.

В некоторых растительных тканях высокомолекулярные жирные кислоты могут подвергаться также a-окислению. Процесс a-окисления начинается с декарбоксилирования жирной кислоты, которое происходит под действием соответствующей декарбоксилазы, особой пероксидазы и пероксида водорода. В результате совместного действия этих двух ферментов на первом этапе образуется СО₂ и соответствующий альдегид, содержащий на один углеродный атом меньше, чем исходная жирная кислота. Далее альдегид подвергается окислению под действием альдегиддегидрогеназы, коферментом которой является NAD⁺. В результате окисления образуется жирная кислота, содержащая на один углеродный атом меньше, чем исходная. Эта жирная кислота может снова подвергаться описанному выше декарбоксилированию с последующим окислением образовавшегося альдегида и т. д. a-Окисление представляет собой источник жирных кислот с нечетным числом углеродных атомов. Процесс a-окисления протекает до образования лауриновой кислоты (С_{12: 0}).