Джефферсон - Сборник упражнений и задач - 2000 / Student Guide9

Глава 9: Энергетическая ценность жиров

67

Глава 9

Энергетическая ценность жиров

Резюме главы

В этой главе описаны химические реакции, происходящие при запасании энергии за счет окисления жиров. Объясняется взаимосвязь между этим путем обмена и гликолизом, а также роль транспортной системы ацил-СоА. В главу включено также описание механизмов, с помощью которых система реагирует на множество меняющихся условий, таких как избыточное образование ацетил-СоА и обмен жирных кислот с нечетным числом атомов углерода или с ненасыщенной двойной связью.

Цели урока

♦Значение жиров как концентрированной формы запасания энергии

♦Значение ацетил-СоА с точки зрения взаимосвязи между окислением жиров и гликолизом.

♦Реакция гидролиза ТАГ, в ходе которой высвобождаются три жирных кислоты.

♦Реакции, ответственные за активацию жирных кислот до ацилтиоловых эфиров.

♦Причина, в силу которой для активации жирных кислот необходима транспортная система.

♦Химические термины, описывающие четыре главные реакции, которые приводят к образованию двууглеродного ацетилтиолового эфира в ходе β−окисления жирной кислоты.

♦Количество и тип восстановленных коферментов, образующихся на каждом этапе окисления жирной кислоты.

♦Сколько раз должен быть повторен цикл для β−окисления жирной кислоты с заданным числом атомов углерода.

♦Судьба молекул ацетил-СоА, образующихся при расщеплении жирной кислоты.

♦Отличие метаболизма насыщенных от ненасыщенных жирных кислот.

♦Условия, при которых образование ацетил-СоА может превышать возможности его использования в цикле лимонной кислоты.

♦Последствия избыточного образования ацетил-СоА.

68	Глава 9: Энергетическая ценность жиров
♦ Два примера химических соединений,	♦ Краткая характеристика пути,
относящихся к кетоновым телам.	участвующего в обмене
	длинноцепочечных жирных кислот с
	нечетным числом атомов углерода.

Прогулка по главе

Общие данные

Жиры представляют собой концентрированную форму запасания химической энергии, они могут быть окислены с образованием ………………(1). Путь окисления жиров связан с гликолизом общим метаболитом ………….(2). После высвобождения свободных жирных кислот в результате гидролиза ТАГ трехуглеродный глицерин фосфорилируется, окисляется и поступает в гликолитический путь в виде дигидроксиацетонфосфата. Свободные жирные кислоты доставляются альбумином ………………….(3) или в результате действия липазы на ……………….(4) или ЛПОНП.

Активация

Жирные кислоты активируются с образованием ацил-СоА. Обратите внимание, что специфический термин “ацетил” относится к двууглеродному фрагменту - производному ацетата, пропионил представляет собой ацильную группу, состоящую из трех атомов углерода. Обычно жирные кислоты содержат от 16 до 22 углеродных атомов и когда они этерифицируются, то их называют просто ацильной группой. Активация карбоновой кислоты в общем пл ане относится к процессу образования эфира или ангидрида. В случае активации коферментом А образуется тиоловый эфир. Этот этап является эндергоническим и состоит во взаимодействии ка рбоксильной группы жирной кислоты с тиолом (серный аналог спирта). Источником энергии служит сопряженная реакция гидролиза

…………………….(5). В действительности трехступенчатый процесс включает образование метаболита ……………….(6) и PPi. Ферменты, катализирующие эту реакцию, называются ацилСоА …………….………….(7), а сама реакция происходит на наружной митохондриальной мембране, но поскольку расщепление до двухуглеродного ацетил-СоА осуществляется в митохондриальном матриксе, то ацил-СоА необходимо туда транспортировать. В этом процессе участвуют ……….………..(8) и два фермента трансферазы.

Ответы: (1) АТР; (2) ацетил-СоА; (3) крови; (4) хиломикроны; (5) АТР; (6) жирная кислота-АМР;

(7) синтетазами; (8) карнитин.

Спиральный цикл

Процесс отщепления каждого …………….(1) углеродного фрагмента от длинной цепочки жирной кислоты включает четыре последовательно протекающие реакции: окисления с образованием соединения, содержащего ……..…………(2) у соседнего с карбонильным атома углерода,

Глава 9: Энергетическая ценность жиров	69

гидратации, приводящей к введению ……………………(3) группы у атома углерода, отстоящего на две позиции от карбонильной группы и второго окисления, которое превращает этот новый спирт в …………..…(4). В результате подвергающаяся катаболизму жирная кислота имеет две карбонильные группы. Затем новая молекула кофермента А образует тиоловый эфир с этой второй карбонильной группой, а СоА-SH отщепляется вместе с двууглеродной ацетильной группой. Исходная жирная кислота с ее СоА - тиоловым эфиром становится на два углеродных атома

………….………..(5) и готова для следующего раунда окисления-гидратации-окисления и тиолиза (образования тиолового эфира). На каждом из этих этапов расщепления образуются одна молекула

………(6) и одна молекула …………..(7). Молекула, как например, пальмитиновой кислоты из 16 атомов углерода должна быть расщеплена …………………(8) раз с образованием ……………..(9) двууглеродных фрагментов.

Ответы: (1) двух-; (2) двойную связь; (3) гидроксильной; (4) кетон; (5) короче: (6) NADH; (7) FADH2; (8) семь; (9) восьми.

Заполните следующее

70	Глава 9: Энергетическая ценность жиров

Ацетил-СоА поступает в ……………(1), а восстановленные кофакторы - в систему

……………….(2) для образования АТР. При расчете суммарного образования энергии необходимо принимать во внимание, что на начальном этапе активации жирной кислоты - образовании ацилСоА, - расходуется две молекулы АТР (поскольку расщепление АТР до АМР и PPi сопровождается потерей двух высокоэнергетических фосфатных связей, что эквивалентно с учетом реакции AMP + ATP ® 2ADP, затрате двух молекул АТР).

Ненасыщенные жирные кислоты являются обычным компонентом пищи и расщепление их до молекул ацетил-СоА во многом сходно с процессом окисления насыщенных жирных кислот, за исключением участия фермента….…………..(3), который перемещает двойную связь в «правильное» положение относительно карбонила или, в зав исимости от строения жирной кислоты, восстановления (гидрогенирования) простым замещением дв ойной связи ………….(4).

Кетоновые тела

В условиях ……………..(5), или при ……………..(6), когда направленное на компенсацию недостаточной эффективности гликолиза расщепление жирных кислот происходит с высокой скоростью, количество образующегося ацетил-СоА может превысить возможности цикла лимонной кислоты использовать этот метаболит (цикл также блокируется при дефиците оксалоацетата). Избыток ………………(7) является источником накопления высоких концентраций кетоновых тел, ……..………….(8) и ………..……..(9). Механизм синтеза ацетоацетата включает конденсацию трех молекул ацетил-СоА с образованием ГМГ-CoA (гидроксиметилглутарил-СоА) - предшественника синтеза холестерина.

Ответы: (1) цикл лимонной кислоты; (2) транспорта электронов; (3) изоме разы; (4) водородом;

(5) голодания; (6) диабете; (7) ацетил-СоА; (8) ацетоацетата; (9) b-гидроксибутирата.

Дополнительные вопросы

Несмотря на то, что у животных длинноцепочечные жирные ки слоты с нечетным числом атомов углерода встречаются редко до момента образования трехуглеродного соединения - пропионилСоА, их превращение осуществляется так же, как и их аналогов с четным числом углеродных атомов. Обратите внимание, что при окислении жирной кислоты из 19 атомов углерода образуется восемь двухуглеродных фрагментов плюс трехуглеродный фрагмент. Этот трехуглеродный ацилСоА превращается в четырехуглеродное производное СоА - сукцинил-СоА, (метаболит цикла лимонной кислоты). Жирные кислоты могут также подвергать ся окислению в пероксисомах - небольших пузырьках, найденных во многих клетках животны х.

Глава 9: Энергетическая ценность жиров		71
Обзор вопросов в конце главы 9
∙ Составьте таблицу.
	Главные переносчики жирных кислот	Химическая форма
	Сывороточный альбумин	Свободные жирные кислоты
	Хиломикроны	TAÃ
	ЛПОНП	TAÃ

∙Клетки головного мозга и эритроциты должны получать необходимую энергию в ходе окисления глюкозы, поскольку они не используют для этой цели свободные жирные кислоты.

∙(а) Перед использованием в организме жирные кислоты необходимо активировать ( перевести

â àöèë-ÑîÀ).

(б) Местом активации жирных кислот является наружная митохондриальная мембрана.

(в) Расщепления жирных кислот происходит в митохондриальном матриксе.

(г) В транспорте жирных кислот участвует молекула карнитина.

∙Существует трехэтапная последовательность реакций, включающая образование двойной связи, спирта и карбонила, сходная при окислении жирных кислот и в цикле лимонной кислоты.

∙Пальмитолеиновая кислота (содержит 16 атомов углерода) должна быть активирована и затем расщеплена (за семь разрывов цепи) на восемь молекул ацетил-СоА; эти молекулы ацетил-СоА должны быть использованы в цикле лимонной кислоты, а обра зующиеся восстановленные кофакторы (и GTP) - превращены в АТР.

Ýòàï	Для каждого цикла	Пример для С16 жирной
		кислоты
β-окисление	1 NADH	1 x 7 =	7 NADH
	1 FADH2	1 x 7 =	7 FADH2
Цикл лимонной кислоты	3 NADH	3 x 8 = 24 NADH
	1 FADH2	1 x 8 =	8 FADH2
	1 GTP	1 x 8 =	8 GTP
Транспорт электронов		Всего:
	2,5 ATP/NADH(ìàêñ)	31 x 2,5 = 77,5 ATP
	1,5 ATP/1 FADH2	15 x 1,5 = 22,5 ATP
	1 ATP/GTP	8 x 1,0 = 8,0 ATP
Цена активации жирной	-2 ATP	Всего = 108 - 2 = 106 АТР
кислоты

72	Глава 9: Энергетическая ценность жиров
∙	Мононенасыщенная 9-жирная кислота содержит двойную связь между атомами углерода С-9
	и С-10. Она подвергается последовательному β-окислению в три этапа, с образованием

Затем эта молекула изомеризуется с образованием транс- 2-еноил-СоА, который далее может подвергаться β-окислению

∙Ацетил-СоА не всегда поступает в цикл лимонной кислоты; системе необходимо быть более гибкой. Одним таким альтернативным путем является образование кетоновых тел.

∙Синтез холестерина и ацетоацетата осуществляется в различных компартаментах клетки. До сих пор ученым не ясно, почему реакции образования этих двух соединений происходят через синтез ÃÌÃ-CoA.

Дополнительные вопросы к главе 9

1.Каков химический смысл того, что жиры являются более концентрированной формой запасания энергии, по сравнению с углеводами?

2.Сколько эквивалентов АТР образуется при окислении насыщенной жирной кислоты, состоящей из 22 атомов углерода?

3.Напишите схему реакций активации жирной кислоты для вступления в цикл b-окисления.

4.Для чего нужна система транспорта жирных кислот в митохондрии?

5.Напишите перечень путей обмена, которые объединяет участие в качестве промежуточного продукта ацетил-СоА.

6.Каковы последствия избыточного образования ацетил-СоА?

7.Предложите промежуточный продукт в реакции между ATP, CoASH и свободной жирной кислотой, которая протекает с образованием àöèë-ÑîÀ, ÀÌÐ è PPi.

8.Какова роль молекулы ацил-карнитинового производного жирной кислоты?

9.Какая группа переносится ферментом карнитин-ацилтрансферазой?

10.Какова роль ГМГ-CoA? Какая аминокислота имеет с ним сходство?

11.Какой ион металла входит в структуру дезоксиаденозилкобаламина?

12.Что происходит с сукцинил-СоА, образующимся при превращении трехуглеродного фрагмента, который накапливается при окислении жирных кислот с нечетным числом атомов углерода?

13.В чем различия между окислением, происходящим в пероксисомах и митохондриях?