От образовавшегося b-оксиацил-КоА-производного жирной кислоты отщепляется водород. Эту реакцию катализирует фермент 3-оксоацил-КоА-дегидрогеназа (1.1.1.35), имеющий в активном центре кофермент над:

R–CН–CН₂–С~S–КоА + НАД⁺ ¾® R–С–СН₂–С~S–КоА + НАД×Н + Н⁺

‌ │ ║ ║ ║

ОН О О О

b-оксиацил-КоА β-оксоацил-КоА

Под действием 3-оксоацил-КоА-дегидрогеназы атомы водорода отщепляются от b-углеродного атома, в результате чего оксипроизводное жирной кислоты превращается в кетопроизводное – b-оксоацилкофермент А. На последнем этапе b-окисления b-оксоацил-КоА-поизводное жирной кислоты взаимодействует со свободной молекулой кофермента А, образуя два продукта – ацетил-КоА и ацил-КоА, который имеет углеродную цепь на два углеродных атома короче исходной жирной кислоты. Синтез этих продуктов катализирует фермент ацил-КоА-тиолаза (2.3.1.9):

R–C–CН₂–С~S–КоА + НS–КоА ¾® R–С~S–КоА + CН₃–С~S–КоА

║ ║ ║ ║

О О О О

β-оксоацил-КоА ацил-КоА ацетил-КоА

В связи с тем, что конечный этап окисления КоА-производного жирной кислоты с образованием b-оксоацил-КоА происходит уb-углеродного атома, весь цикл представленных здесь реакций получил названиеb-окисления жирных кислот. Остаток жирной кислоты, укороченный на два углеродных атома, вновь вступает в реакцииb-окисления и от него отщепляется молекула ацетил-КоА. Затем цикл реакцийb-окисления повторяется снова и снова до тех пор, пока вся цепочка жирной кислоты, имеющая чётное число углеродных атомов, не будет расщеплена полностью на молекулы ацетил-КоА.

Если же b-окислению подвергается жирная кислота с нечётным числом углеродных атомов, то в результате каждого цикла реакцийb-окисления будут отщепляться двууглеродные фрагменты ацетил-КоА, однако на последнем этапеb-окисления в результате отщепления ацетил-КоА остаётся конечный фрагмент молекулы жирной кислоты в виде пропионил-КоА. В матриксе митохондрий имеется набор ацил-КоА-тиолаз, специфичных к цепям жирных кислот разной длины.

Как указывалось ранее, в организмах встречаются жирные кислоты, имеющие боковые радикалы, как правило, в виде метильной группы. При этом такие ответвления обычно находятся у чётных углеродных атомов жирной кислоты. В опытах выяснено, что жирные кислоты с боковыми метильными радикалами у чётных углеродных атомов подвергаются b-окислению, но в результате тиолазной реакции от остатка жирной кислоты отщепляется не ацетил-КоА, а молекула пропионил-КоА:

СН₃

|

R–С–СН–С~S–КоА + НS–КоА¾®R–С~S–КоА + СН₃–СН₂–С~S–КоА

|| || || ||

О О О О

b-оксоацил-КоА ацил-КоА пропионил-КоА

Если же боковые радикалы присоединены к нечётным углеродным атомам, то b-окисление жирной кислоты блокируется на стадии образованияb-оксиацил-КоА-производного, так как возникающий на этой стадииb-окисления продукт не может окисляться ферментомb-оксоацил-КоА-дегидрогеназой:

СН₃

|

R–С–СН₂–С~S–КоА + НАД⁺¾®реакция не идёт

| ||

ОН О

Впервые отрицательные последствия блокирования b-окисления жирных кислот наблюдали в сельскохозяйственной отрасли. В ряде развитых стран до 1966 г. в больших количествах применяли синтетические ферменты с беспорядочно расположенными метильными радикалами в их жирнокислотных цепях. В результате процесс ихb-окисления при биодеградации почвенными микроорганизмами блокировался в точках, где метильные радикалы были присоединены к нечётным углеродным атомам. Последнее приводило к накоплению пенистых образований в почве, наносивших значительный ущерб урожайности сельскохозяйственных культур. После этого было принято решение производить детергенты только на основе жирных кислот с неразветвленными углеродными цепями.

У некоторых микроорганизмов при блокировании процесса b-окисления жирных кислот в качестве обходного пути используется механизмa-окисления, или процесс окисления начинается с противоположного по отношению к карбоксильной группе конца. В этом случае вначале гидроксилированию подвергается первичный углеродный атом с образованием оксипроизводного жирной кислоты, которое затем окисляется в альдегид, а последний – в карбоновую кислоту, способную далее вступать в реакцииa-окисления. Окисление жирной кислоты с противоположного от карбоксильной группы конца получил названиеw-окисления.

У растений и микроорганизмов большая часть жирных кислот в составе липидов являются представителями ненасыщенного ряда. Но они так же, как и насыщенные кислоты, подвергаются b-окислению, образуя в качестве конечного продукта ацетил-КоА. Если в процессе окисления после очередного отщепления ацетил-КоА двойная связь ненасыщенной кислоты оказывается вa,b-положении, то в этом случае нормально происходят последующие реакцииb-окисления. Однако, если двойная связь оказывается смещённой вb,g-положение, то для нормального осуществления реакцийb-окисления требуется перемещение двойной связи вa,b-положение. Такую реакцию осуществляют специфические изомеразы ненасыщенных жирных кислот.

Основной продукт b-окисления жирных кислот ацетил-КоА может далее участвовать в двух видах превращений – окисляться в дыхательных реакциях до СО₂и Н₂О или использоваться на синтез углеводов.

Значительная часть молекул ацетил-КоА, образующихся в ходе b-окисления жирных кислот, вступает в реакции цикла Кребса, которые локализованы во внутреннем матриксе митохондрий. Окисление одной молекулы ацетил-КоА в реакциях цикла Кребса даёт три молекулы восстановленных динуклеотидов НАД×Н, одну молекулу ФАД×Н₂и одну молекулу АТФ за счёт субстратного фосфорилирования при фосфоролизе сукцинил-КоА. Как мы уже знаем, восстановленные динуклеотиды НАД×Н и ФАД×Н₂внутри митохондрий окисляются в системе окислительного фосфорилирования, обеспечивая синтеез АТФ. При окислении одной молекулы НАД×Н возможно образование 3 молекул АТФ, а при окислении одной молекулы ФАД×Н₂– двух молекул АТФ. Всего за счёт окисления одной молекулы ацетил-КоА возможен синтез (3АТФ х 3НАД×Н) + (2АТФ х ФАД×Н₂) + АТФ = 12 молекул АТФ.

В ходе реакций b-окисления жирных кислот также синтезируются восстановленные динуклеотиды ФАД×Н₂и НАД×Н, которые, поступая в систему окислительного фосфорилирования, используются для синтеза АТФ. В каждом цикле β-окисления насыщенной жирной кислоты образуется по одной молекуле НАД·Н и ФАД·Н₂, что может обеспечить синтез 5 молекул АТФ. Однако при оценке общего выхода АТФ при β-окислении каждой молекулы жирной кислоты следует учитывать, что одна молекула АТФ затрачивается на активирование жирной кислоты путём её перевода в ацил-КоА-производное.

Попытаемся сравнить энергетический эффект окисления жирных кислот и углеводов. В качестве примера для расчёта энергетического эффекта окисления жирных кислот возьмём стеариновую кислоту, а углеводов – глюкозу. Стеариновая кислота имеет углеродную цепь, включающую 18 атомов углерода . В ходе её распада 8 раз повторяется цикл реакций b-окисления и образуется 9 молекул ацетил-КоА . Как было показано ранее, в каждом циклеb-окисления накапливаются восстановленные динуклеотиды, при окислении которых в системе окислительного фосфорилированя могут синтезироваться 5 молекул АТФ, а за 8 циклов реакцийb-окисления – могут синтезироваться соответственно 40 молекул АТФ.

При окислении в дыхательных реакциях 1 молекулы ацетил-КоА возможно образование 12 молекул АТФ, а в результате окисления 9 молекул ацетил-КоА могут синтезироваться 108 молекул АТФ. Таким образом, в результате окисления одной молекулы стеариновой кислоты через механизм b-окисления и дыхательных реакций возможно образование в системе окислительного фосфорилирования 40 + 108 = 148 молекул АТФ. Однако, если учесть, что одна молекула АТФ затрачивается на активирование жирной кислоты, то окончательный выход АТФ при окислении одной молекулы стеариновой кислоты составляет 147 молекул АТФ (или 147 молей АТФ в расчёте на 1 моль стеариновой кислоты).

Если произвести расчёт выхода АТФ при окислении 1 г стеариновой кислоты (284 г/моль), то получим следующий результат: 147 : 284 = 0,52 моля АТФ в расчёте на 1 г стеариновой кислоты. В главе «Обмен углеводов» (стр. 400) было показано, что при окислении 1 моля глюкозы (180 г/моль) синтезируется 38 молей АТФ (или 38 : 180 = 0,21 моль АТФ в расчёте на 1 г глюкозы). Из этих показателей видно, что энергетический эффект окисления одной единицы массы стеариновой кислоты более чем в 2 раза превышает эффективность окисления глюкозы.

В качестве примера нами определён энергетический эффект окисления насыщенной жирной кислоты – стеариновой. Однако ненасыщенные жирные кислоты также дают высокий выход АТФ при их окислении в митохондриях. У них только на одном из этапов окисления, когда в реакцию вступает ненасыщенное производное, не происходит образования ФАД×Н₂, которое в системе окислительного фосфорилирования обеспе-чивает синтез двух молекул АТФ. Поэтому в ходе окисления каждого моля ненасыщенной жирной кислоты с одной двойной связью выход АТФ уменьшается на 2 моля, с двумя двойными связями – на 4 моля, с тремя двойными связями – на 6 молей. Следовательно, в процессе окисления в митохондриях 1 моля линоленовой кислоты, имеющей 3 двойные связи, выход АТФ по сравнению со стеариновой кислотой будет составлять не 147 молей, а 141. 147 молей, а 141. И в расчёте на 1 г окисляемой линоленовой кислоты выход АТФ составит 0,51 моля, то есть значительно больше, чем для глюкозы и других углеводов.

Как было показано ранее, определённая часть жирных кислот, образующихся при распаде жиров, у растений подвергается a-окислению в цитоплазме и при каждом оборотеa-окисления происходит отщепление от жирной кислоты одной молекулы СО₂и синтез одной молекулы восстановленного динуклеотида НАД×Н. Следовательно, если даже предположить, что происходит полное окисление жирной кислоты, то может осуществиться синтез такого числа молекул НАД×Н, которое на один меньше числа углеродных атомов в молекуле жирной кислоты.

Например, для молекулы стеариновой кислоты оно будет равно 17. Если сделать пересчёт синтезированных молекул НАД×Н в эквиваленты АТФ, принятые для системы окислительного фосфорилирования, то мы получим выход АТФ значительно меньший, чем при окислении жирных кислот по механизмуb-окисления и последующего окисления ацетилкофермента А в цикле Кребса. Однако, надо иметь в виду, что большая часть восстановленных динуклеотидов НАД×Н, образуемых в цитоплазме по механизмуa-окисления, не окисляется в системе окислительного фосфорилирования митохондрий, а используется в восстановительных реакциях, происходящих в цитоплазме.

Распад фосфолипидов. В клетках листьев большая часть фосфолипидов находится в связанном состоянии, так как они участвуют в построении клеточных мембран. Переход их в свободное состояние может происходить при перестройке и обновлении структур клеточных мембран. В несвязанном (свободном) состоянии много фосфолипидов откладывается в семенах, где они используются в качестве запасных веществ. При прорастании семян наблюдается высокая активность гидролитических ферментов, катализирующих распад запасных веществ, в том числе и запасных фосфолипидов, главным образом фосфатидилэтаноламинов и фосфатидилхолинов.

Распад фосфолипидов начинается с действияфосфолипаз, катализирующих гидролиз сложноэфирных связей глицерина и жирных кислот. Вначале происходит отщепление остатка жирной кислоты, связанного со вторым углеродным атомом, а затем связанного с первым углеродным атомом. В результате действия этих ферментов образуются свободные жирные кислоты и соединения азотистого основания с глицеролфосфатом:

На следующем этапе под действием специфической фосфатазы гидролизу подвергается сложноэфирная связь между остатком глицерина и фосфатом азотистого основания:

СН₂ОН СН₂ОН

| фосфатаза |

CНОН ОН + Н₂О¾¾®СНОН + (Р)–О–СН₂–СН₂NH₂

| ∕ | этаноламинфосфат

СН₂О–Р=О СН₂ОН

\ глицерин

О-СН₂-СН₂NH₂

глицеролфосфатэтаноламин

Гидролиз образовавшегося этаноламинфосфата также катализирует специфическая фосфатаза:

фосфатаза

(Р)–О–СН₂–СН₂NH₂+ Н₂О¾¾®НО–СН₂–СН₂NH₂+ Н₃РО₄

этаноламинфосфат этаноламин

Под действием указанных ферментов осуществляется превращение фосфолипидов в свободный глицерин, жирные кислоты, азотистые основания и неорганический фосфат, которые далее могут включаться в различные биохимические реакции или окисляться в процессе дыхания.