Звягина Учебное пособие

β-окисление жирных кислот Активация жирных кислот. Первым этапом распада жирных

кислот (ЖК) в клетке является их активация за счет образования ацил-КоА. Эту реакцию катализирует фермент ацил-КоА синтетаза, который локализован на наружной мембране митохондрий:

Перенос ацил-КоА в митохондрии. Поскольку процесс активи-

рования ЖК идет вне митохондрий, то далее необходим транспорт ацила через мембрану внутрь митохондрий. Короткоцепочечные жирные кислоты, содержащие до 10 углеродных атомов, могут проходить через митохондриальную мембрану путем простой диффузии. Перенос длинноцепочечного ацил-КоА происходит с помощью карнитина и фермента карнитин-ацил трансферазы (КАТ).

-окисление жирных кислот

Процесс β- окисления – это процесс, в ходе которого за несколько последовательных циклов жирная кислота распадается до ацетилКоА, содержащего два атома углерода. Каждый цикл включает 4 реакции. В ходе цикла жирная кислота укорачивается на 2 углеродных атома и образуется по одной молекуле НАДН2 и ФАДН2. Количество циклов будет зависеть от количества атомов углерода в жирной кислоте.

101

Реакции -окисления жирных кислот:

Ацетил КоА поступает в цикл Кребса (ЦТК), а укороченная на два углеродных атома жирная кислота снова идет в цикл β-окисления. Затем циклы повторяются до тех пор, пока жирная кислота не укоротится до четырехуглеродного фрагмента. На последнем витке образуется по одной молекуле НАДН2 и ФАДН2 и сразу 2 молекулы ацетил КоА, поэтому количество циклов на 1 меньше, чем количество ацетил КоА, например, молекула пальмитиновой кислоты, содержащей 16 углеродных атомов, превращается в 8 ацетил КоА за 7 циклов, при этом образуется 7 НАДН2 и 7ФАДН2.

Энергетический баланс окисления жирной кислоты.

Рассмотрим расчет на примере пальмитиновой кислоты, которая содержит 16 атомов углерода

1)Определяем сколько ацетил КоА образуется при окислении жирной кислоты; для этого количество углеродных атомов, содержащихся в жирной кислоте, делим на два: 16:2= 8 ацетил КоА

2)Ацетил КоА далее поступает в цикл Кребса, где из одной молекулы ацетил КоА возможно образование 12 молекул АТФ т.к у нас 8 ацетил КоА, следовательно, 12х8=96 АТФ

3)Находим число циклов β-окисления, которое можно подсчитать по формуле (n/2 -1), где n – число атомов углерода в кислоте. Количество НАДН2 и ФАДН2 равно количеству циклов: 16:2 -1 =7 НАДН2 и 7 ФАДН2

102

4) НАДН2 и ФАДН2 поступают далее в дыхательную цепь, где в сопряжении с окислительным фосфорилированием из 1 молекулы НАДН2 образуется 3 АТФ, а из одной молекулы ФАДН2 – 2 АТФ, 7х3=21 АТФ + 7х2=14АТФ.

Итого: 96 + 21 + 14 =131 АТФ и 1 АТФ затрачивается на активацию. Энергетический баланс составляет 130 АТФ.

Если жирная кислота содержит двойные связи, т.е. является ненасыщенной, то дойдя до места, где содержится двойная связь, остаток жирной кислоты сразу попадает во вторую реакцию цикла, следовательно, при этом не образуется ФАДН2. В п.3 из общего количества ФАДН2 необходимо вычесть столько молекул ФАДН2, сколько в жирной кислоте имеется двойных связей. Например, если жирная кислота содержит 16 углеродных атомов и 1 ненасыщенную связь, то образуется 7-1=6 ФАДН2 и в итоге 128 АТФ. Таким образом, энергетический баланс ненасыщенных жирных кислот меньше, чем насыщенных.

Если жирная кислота содержит нечетное число связей, то на последнем витке образуется 1 молекула ацетил КоА и 1 молекула пропионил КоА, содержащая 3 углеродных атома. Пропионил КоА превращается далее в сукцинил КоА, который подключается к циклу Кребса.

Пропионил КоА

АТФ Пропионил КоА-карбоксилаза

АДФ+Фн

Метилмалонил КоА

Метилмалонил КоА-мутаза

Сукцинил КоА цикл Кребса

Биосинтез жирных кислот

В тканях организма происходит постоянный синтез жирных кислот, которые расходуются: 1) на энергетические нужды организма; 2)на синтез многокомпонентных липидов (ТАГ, фосфолипидов). Жирные кислоты синтезируются из простых фрагментов с участием полиферментного комплекса – синтетазы жирных кислот, который состоит из 7 ферментов. Синтез жирных кислот имеет ряд особенностей:

1.Синтез протекает в эндоплазматической сети в цитозоле клетки;

2.Источником синтеза является малонил КоА, образующийся из ацетил КоА. Эту реакцию катализирует фермент ацетил-КоА- карбоксилаза. Это ключевой фермент в мультиферментной системе синтеза ЖК;

3.Для синтеза жирных кислот используется НАДФН2;

4.Все стадии синтеза представляют собой циклический процесс.

103

Упрощенная схема синтеза жирной кислоты выглядит следующим образом:

Непредельные жирные кислоты образуются за счет дегидрирования предельных (отщепление 2 атомов водорода и образование двойных связей). Исключение составляют линолевая, линоленовая, арахидоновая кислоты, которые не синтезируются в организме и должны поступать с пищей.

Биосинтез триацилглицеринов

Синтез триацилглицеринов (ТАГ) происходит при депонировании липидов в жировой ткани или других тканях организма. Для синтеза используется α-глицеролфосфат и активированные жирные кислоты в виде ацил-КоА (-СОR).

1.Образование фосфатидной кислоты:

	СН2ОН	глицеролфосфат-ацилтрансфераза СН2ОСОR
	СНОН		CНОСОR'
СН2ОРО3Н2		R-СОSКоА 2КоАSН	СН2ОРО3Н2
		R'-COSКоА	фосфатидная кислота

α-глицеролфосфат

2. Отщепление от фосфатидной кислоты остатка фосфорной кислоты с образованием диацилглицерина

	СН2ОСОR фосфатидат-фосфатаза		СН2ОСОR
		СНОСОR'	C	НОСОR'
СН2ОРО3Н2 -Н3РО4			CН2ОН
фосфатидная кислота			диацилглицерин
			104

3. Образование триацилглицерина

	СН2ОН	диацилглицерол-ацилтрансфераза	СН2ОСОR
	СНОН		CНОСОR'
СН2ОРО3Н2		R''-СОSКоА КоАSН	СН2ОСОR''
диацилглицерин			триацилглицерин

Триацилглицерины выполняют в организме 1) энергетическую функцию. При распаде ТАГ выделяется энергия 2) защищают органы от повреждений при механических внешних воздействиях.

Биосинтез фосфолипидов, начиная с диацилглицерина и фосфатидной кислоты. Биологическая роль фосфолипидов.

Первые стадии синтеза фосфолипидов и триацилглицеринов совпадают и расходятся на уровне фосфатидной кислоты и диацилглицерина.

Существует два пути синтеза фосфолипидов, для обоих необходим ЦТФ. Первый путь связан с взаимодействием фосфатидной кислоты с ЦТФ и образованием ЦДФ-диацилглицерина и дальнейшего образо-

вания фосфолипидов: фосфатидилсерина, фосфатидилэтаноламина

и фосфатидилхолина. Второй путь связан с активированием спирта, например, холина, с образованием ЦДФ-холина, который участвует в переносе холина на диацилглицерин и образованием фосфатидилхолина.

II-й путь	Биосинтез ТАГ	I-й путь
		Фосфатидилинозит
			ЦМФ
			Инозит
Холин	Глицерин	ЦДФ-диацилглицерин
АТФ
	α-глицеролфосфат
АДФ		Н2Р2О7	Серин
Фосфорилхолин	Фосфатидная кислота	ЦТФ
ЦТФ			ЦМФ
	Н2О
Н4Р2О7
ЦДФ-холин	Н3РО4	Фосфатидилсерин
ЦМФ	Диацилглицерин		СО2
Фосфатидилхолин		Фосфатидилэтаноламин
	Триацилглицерины		S-аденозилметионин

S-аденозилгомоцистеин

Фосфатидилхолин

105

Биологическая роль фосфолипидов.

1.Фосфолипиды входят в состав биологических мембран клеток.

2.Фосфолипиды являются основными компонентами сурфактанта легких. Сурфактант – это внеклеточный липидный слой, выстилающий поверхность легочных альвеол и препятствующий слипанию стенок альвеол.

3.Фосфатидилинозитол является предшественником посредников липидной природы в гормональном ответе клетки.

Липотропные факторы.

При биосинтезе фосфолипидов и триацилглицеринов происходит

конкуренция за общие субстраты, поэтому вещества, способствующие биосинтезу фосфолипидов, и препятствующие отложение триацилглицеринов в тканях, называются липотропными факторами. К ним можно отнести: 1) структурные компоненты фосфолипидов – холин, инозит, серин; 2) вещество, облегчающее декарбоксилирование фосфатидилэтаноламина – пиридоксальфосфат (витамин В6); 3)донор метильных групп – метионин; 4) вещества, участвующие в переносе метильных групп – витамины В9 и В12. Все эти вещества можно использовать как лекарственные препараты, препятствующие избыточному отложению триацилглицерина в тканях.

Биосинтез холестерина, его биологическая роль и регуляцияЗ-

начение холестерина для организма. Холестерин (ХС) является важ-

ным составным компонентом биомембран, он служит предшественником для синтеза стероидных гормонов, желчных кислот и витамина Д.

Распределение холестерина в тканях. Наиболее богаты холесте-

ролом мозг, печень, кожа и эндокринные железы.

Биосинтез холестерина

1.Ацетил-КоА является источником всех углеродных атомов молекулы ХС.

2.ХС синтезируют все клетки, имеющие ядро.

3.Синтез ХС происходит в цитозоле и эндоплазматическом ретикулуме.

Первая стадия. Три молекулы ацетил-КоА конденсируются с образованием β-гидроксиметилглутарил –КоА (ГМГ-КоА):

106

Ацетил КоА + АцетилКоА

Ацетоацетил КоА + Ацетил КоА

β-гидроксиметилглутарил КоА (ГМГ-КоА)

2НАДФН2	ГМГ-редуктаза
2 НАДФ+	КоАSН

мевалоновая кислота

Сквален

Ланостерин

Холестерин

Реакция, катализируемая ГМГ-редуктазой, является необратимой и определяет скорость биосинтеза холестерина, изменяя активность ГМГ-редуктазы можно регулировать процесс биосинтеза холестерина. Если человек получает много холестерина с пищей, то активность фермента замедляется и уменьшается биосинтез эндогенного холестерина. Активность фермента усиливает гормон - инсулин, преводя его в дефосфорилированное состояние, и уменьшает глюкагон, наоборот, фосфорилируя ГМГ-редуктазу. Ингибиторы фермента используются в качестве лекарственных препаратов для лечения атеросклероза - статины (мевастатин, мевакор, ловастатин и др.).

На втором этапе мевалоновая кислота в ходе нескольких ферментативных реакций, в которых расходуется АТФ, превращается в «активный изопрен» и далее в сквален.

На третьем этапе из сквалена образуется холестерин.

СС22

С20	С	С

СС

С

НО

107

Транспорт холестерина и его выведение из организма. Биохимия атеросклероза, его лечение.

В транспорте и распределении холестерина по органам участвуют все липопротеины, но главная роль принадлежит ЛПНП и ЛПВП. Поступающий с пищей холестерин после всасывания включается в состав хиломикрон, поступает в кровь и далее в печень, там же синтезируется и основная часть эндогенного холестерина. В клетках печени холестерин упаковывается в ЛПОНП, из которых образуются ЛПНП, содержащие до 55% холестерина и его эфиров. ЛПНП – основная транспортная форма холестерина, в которой он доставляется в ткани. Эта фракция ЛП называется атерогенной (способствующей развитию атеросклероза). Избыток свободного холестерина в тканях собирает и транспортирует другая форма липопротеинов – ЛПВП, для этого существует сложный механизм: на их поверхности находится фермент ЛХАТ (лецитин: холестерин-ацилтрансфераза), который превращает холестерин в эфиры холестерина. Эфиры холестерина, являясь гидрофобными соединениями, перемещаются вглубь молекулы, ЛПВП увеличивается в размерах и доставляется в печень, где холестерин используется на нужды организма или выводится в виде желчных кислот. Фракция ЛПВП называется антиатерогенной (препятствующей развитию атеросклероза). Увеличение содержания холестерина в крови или гиперхолестеринемия создает повышенную опасность заболевания атеросклерозом. Вероятность заболевания тем выше, чем больше отношение концентрации ЛПНП к концентрации ЛПВП в крови.

При атеросклерозе в артериях образуются бляшки, нарушающие кровоток или полностью закрывающие сосуд. Бляшки содержат гладкомышечные клетки, соединительную ткань, липиды (в основном эфиры холестерина), остатки разрушенных клеток. Важную роль в развитии атеросклероза имеют также первичные повреждения эндотелия сосудов, которые могут возникать при воспалительных процессах, гипертонии, действии модифицированных липопротеинов (например, при сахарном диабете), нарушениях свертывания крови, воздействии токсических веществ (например, никотина). Наиболее опасные и частые осложнения атеросклероза – ишемическая болезнь сердца, инфаркт миокарда, инсульт, гангрена нижних конечностей и др.

Методы профилактики и лечения атеросклероза направлены на то, чтобы снизить доставку холестерина в стенки артерий, для этого

108

применяют малохолестериновую диету, лекарства, увеличивающие выведение холестерина или ингибирующие его синтез (см. выше), прямое удаление холестерина из крови методом гемодиффузии и др.

Механизм возникновения желчно – каменной болезни. Применение хенодезоксихолевой кислоты для лечения желчно-каменной болезни.

Желчные кислоты синтезируются в печени из холестерина. Часть желчных кислот в печени подвергается реакции конъюгации – соединения с гидрофильными молекулами (глицином и таурином). Желчные кислоты обеспечивают эмульгирование жиров, всасывание продуктов их переваривания и некоторых гидрофобных веществ, поступающих с пищей, например, жирорастворимых витаминов. Основным ферментом синтеза желчных кислот является 7-α-гидроксилаза, его активность подвергается регуляции.

Желчно-каменная болезнь – патологический процесс, при котором в желчном пузыре образуются камни, основу которых составляет холестерин. У большинства больных желчно-каменной болезнью активность ГМГ-редуктазы повышена, а активность 7-α-гидроксилазы снижена, что приводит к диспропорции количества холестерола и желчных кислот, синтезируемых в желчь. Холестерин начинает осаждаться в желчном пузыре, образуя сначала вязкий осадок, затем камни. Камни вызывают спазмы желчного пузыря и протоков, которые больной ощущает как приступы боли. Камни затрудняют, а иногда и полностью перекрывают отток желчи через желчный проток.

Основным способом лечения желчно-каменной болезни является хирургическое удаление камней, однако, в начальной стадии заболевания можно применять в качестве лекарства хенодезоксихолевую кислоту (желчная кислота), которая ингибирует ГМГ-редуктазу, снижая синтез холестерина и повышая концентрацию желчных кислот. Это прекращает процесс осаждения холестерина, а также становится возможным растворение уже имеющихся камней, но процесс этот медленный, требующий нескольких месяцев.

Биосинтез кетоновых тел, их биологическое значение.

Кетоновыми телами называют три вещества: ацетоацетат, β - гидроксибутират и ацетон. Местом синтеза кетоновых тел является только печень; другие ткани не обладают способностью для их синтеза.

Субстратом для синтеза служит ацетил КоА, который в большом количестве образуется в печени в результате β-окисления жирных

109

кислот. Реакции синтеза кетоновых тел до стадии образования ГМГКоА совпадают с биосинтезом холестерина.

Ацетил КоА + АцетилКоА Ацетоацетил КоА + Ацетил КоА

β-гидроксиметилглутарил КоА (ГМГ-КоА)

ГМГ-лиаза

Ацетон	Ацетоацетат + Ацетил КоА
СО2	НАДН2
	НАД+

β-гидроксибутират

Ацетоацетат и β-гидроксибутират поступают из печени в кровь, а далее используются внепеченочными тканями (нервной, миакардом, скелетными мышцами и т.д.) как дополнительные энергетические субстраты. В этих тканях кетоновые тела снова превращаются в ацетил КоА, который поступает в цикл Кребса.

Количество синтезируемых кетоновых тел в условиях дефицита глюкозы в клетках (например, при сахарном диабете), превышает возможность их утилизации в цикле Кребса, поэтому кетоновые тела начинают накапливаться в крови, такое состояние называется кетонемия, затем выводиться с мочой (кетонурия), а ацетон частично удаляется через легкие (запах ацетона). Поскольку кетоновые тела содержат карбоксильную группу (-СООН) и являются кислотами, накопление их приводит к ацидозу и сдвигу рН крови в кислую сторону. Клинически это проявляется тошнотой, рвотой, нарушением рефлексов, сознания, вплоть до гибели больного. Кетоновые тела в моче являются патологическими компонентами, свидетельствующими о глубоком нарушении метаболизма.

Регуляция обмена липидов в организме. Физиологическая роль резервирования и мобилизации жиров в жировой ткани. Гормональная регуляция активности липазы. Ожирение.

Депонируются жиры в адипоцитах, которые располагаются в основном под кожей, образуя подкожный жировой слой, и выполняют в

110