Бета-окиснення жирних кислот

Введення

Жирні кислоти потрапляють в клітину як за допомогою пасивної дифузії, так і за допомогою спеціальних білків-транспортерів(fatty acid transport protein - FATP, полегшена дифузія). Бета-окиснення в основному відбувається в печінці та скелетних м'язах.В нормі, бета-окиснення в печінці майже не відбувається, а ось при голоданні, коли підіймається рівень глюкагону та інших гормонів в крові - бета-окиснення набирає обертів.
В результаті бета-окиснення ми отримуємо один ацетил-коА, який може піти або на глюконеогенез, або на синтез кетонових тіл, дуже рідко потрапляє в цикл Кребса.Цей процес може відбуватись в мітохондрії(переважно), або в пероксисомах.Тонким моментом є те, що жирні кислоти, які мають довжину карбонового ланцюга більшу, ніж 20 атомів, будуть окислюватись виключно в пероксисомах.
Жирні кислоти можуть мати як парну, так і непарну кількість атомів карбону, відповідно, процес їх окиснення буде трішки відрізнятись.
Те ж саме стосується і жирних кислот з подвійними зв'язками: їх може бути або парна, або непарна кількість.
Зараз про все це ми поговоримо в деталях.

Активація жирних кислот

Першим етапом окиснення довільної жирної кислоти завжди являється її активація - додавання до неї коензиму А(CoA).
Ось наприклад, в клітину печінки потрапила якась стеаринова кислота.В цитоплазмі клітини на неї підчікує ацил-КоА синтетаза, яка використовує молекулу АТФ та чіпляє на нашу жирну кислоту кофермент А.В результаті, молекула АТФ розпадається на АМФ та два фосфат-іони, а стеаринова кислота перетворюється в ацил-КоА(англ. fatty acyl CoA, але я незнаю, як це можна перевести по-людськи).
Наступним кроком, жирна кислота підходить до зовнішньої мембрани мітохондрії, яка має особливий фермент - карнітин ацил-трансфераза І, цей фермент бере карнітин і чіпляє його замість нашого коферменту А, в результаті ми отримуємо ацил-карнітин, який проходить в міжмембранний простір мітохондрії.Але в міжмембранному простору нема нічого цікавого, тому наша жертва проходить в матрикс мітохондрії.Тут її підчікує карнітин ацил-трансфераза ІІ, яка забере карнітин і вчіпить кофермент А, в результаті ми знову маємо ацил-КоА, який вже знаходиться в матриксі мітохондрії.
Карнітин ацил-трансфераза І регулюється кількістю малоніл-КоА в клітині.Справа в тому, що останній являється проміжним продуктом синтезу жирних кислот.Це створено для того, щоб запобігти безглуздому потіку реакцій(синтез жирної кислоти-> її окиснення->синтез...).

Окиснення жирних кислот в мітохондрії

Спочатку ми розглянемо процес бета-окиснення для жирної кислоти з парною кількостью атомів карбону(стеаринова кислота).

Перша реакція бета-окиснення каталізується за допомогою фермента ацил-КоА дегідрогеназа, яка забирає по атому гідрогена з альфа- та бета-положення жирної кислоти, внаслідок чого між цими атомами утворюється подвійний зв'язок, молекула FAD відновлюється до FADH2(за допомогою тих самих гідрогенів).Цей фермент не просто забирає довільні гідрогени, а забирає їх таким чином, щоб утворилась Транс-Δ²-енойл-КоА(транс показує, що гідрогени знаходяться в транс позиції відносно один-одного(навхрест), Δ² вказує на те, що подвійний зв'язок вчіплений на другий атом карбону).


Друга реакція бета-окиснення каталізується ферментом енойл-КоА гідратаза, яка додає воду до нашої молекули.Вода представляє собою OH^- та H⁺, відповідно, H⁺ приєднається до α-карбону, а OH^- до β-карбону.За допомогою цієї реакції ми руйнуємо подвійний зв'язок між цими атомами та формуємо β-гідроксиАцил-КоА(бо спиртова група у β-карбону).

Третя реакція протікає під контролем β-гідроксиАцил-КоА дегідрогенази, і вже зрозуміло з назви ферменту, що це буде окиснення, в результаті якого ми сформуємо NADH + H⁺.Знову ж таки, ці гідрогени забирають від β-карбону, а атом оксигена залишається.Але так, як ми забрали один гідроген, то з цим оксигеном потрібно сформувати подвійний зв'язок задля стабільності молекули.Формується β-кетоАцил-КоА.

Четверта і остання реакція - руйнування зв'язку між β-карбоном та α-карбоном, в результаті чого маємо два продукта реакції: Ацетил-КоА та жирну кислоту, але на два атоми карбона коротшу(було 18 атомів, ми відщепили 2 => отримали жирну кислоту довжиною в 16 атомів карбону).Ця реакція каталізується тіолазою.
Ця жирна кислота, яку ми отримали знову піде в процес бета-окиснення і так буде продовжуватись, доки ми не відщепимо всі атоми карбону.
Тепер трохи математики: якщо ми маємо жирну кислоту довжиною в 18 карбонів, то ми можемо отримати з неї 9 ацетил-КоА(довжина 2 карбони), але нам потрібно не 9 "циклів" бета окиснення, а 8.Загалом, це можна рахувати так:

• Кількість ацетил-КоА, яку можна отримати = довжина жирної кислоти(кількість карбонів)/2
• "Цикли" бета-окиснення = довжина жирної кислоти(кількість карбонів)/2 - 1

Це ми розібрали бета окиснення для жирної кислоти з парною кількістю карбонів, а якщо ми маємо ЖК з 19 атомами? 19 на 2 не ділиться, скільки тоді ацетил-КоА та циклів потрібно?

Окиснення жирних кислот з непарною кількостю атомів карбону

В такому випадку реакція буде протікати до того моменту, доки не сформується 3-х атомна молекула - пропіоніл-КоА.Ця молекула не являється субстратом для всіх вище згаданих ферментів, тому про неї подбає пропіоніл-КоА карбоксилаза(коферментом являэться біотин(вітамін B7)), яка використає АТФ та HCO^-.В результаті утвориться метилмалоніл-КоА, АДФ та фосфат іон.Метилмалоніл за допомогою метилмалоніл-КоА мутази(коферментом виступає вітамін B12) перетворюється в сукциніл-КоА(проміжний продукт цикла Кребса), який далі може піти в цикл трикарбонових кислот або глюконеогенез.

Окиснення мононенасичених жирних кислот

Мононенасичені жирні кислоти - ті, які мають один подвійний зв'язок.До прикладу візьмемо пальмітолеїнову кислоту, яка має подвійний зв'язок в 9 позиції.


Спочатку бета окиснення іде без проблем, молекула спокійно проходить 3 цикли бета окиснення, але потім, виходить так, що між 3 та 4 атомами карбону знаходиться подвійний зв'язок, який заважає дії ацил-КоА дегідрогенази.Ця молекула має назву цис Δ³ еноїл-КоА, відповідно, існує фермент цис Δ³ еноїл-КоА ізомераза, який перекине цей подвійний зв'язок на 2 карбон, тобто, подвійний зв'язок встановиться між β-карбоном та α-карбоном, тепер ця молекула називається Транс-Δ²-еноїл-КоА(проміжний продукт, див. вище) і цикл бета окиснення продовжується далі.

Окиснення поліненасичених жирних кислот

Поліненасичені жирні кислоти - ті, які мають два або більше подвійних зв'язків, за приклад візьмемо ліноленову кислоту, яка має 18 атомів карбону та подвійні зв'язки між 9,10 та 12,13 атомами.


Спочатку бета окиснення іде спокійно, проходить 3 цикли, і знову стикаємся з майже такою самою ситуацією: між 3 та 4 атомами карбону знаходиться подвійний зв'язок, який заважає ацил-КоА дегідрогеназі.Тут на допомогу приходить той самий фермент - цис Δ³ еноїл-КоА ізомераза і знову отримуємо Транс-Δ²-еноїл-КоА, який спокійно проходить цикл бета-окиснення.
Але ж ми маємо ще один подвійний зв'язок, який уже після 4 циклу окиснення, знаходиться між 4 та 5 атомами карбону, ця молекула має назву цис Δ⁴ еноїл-КоА.Після дії ацил-КоА дегідрогенази утворюється ще один подвійний зв'язок між 2 та 3 атомами карбону, в результаті, ця молекула знову має два подвійні зв'язки - між 2,3 та 4,5 , тепер ця молекула має назву 2,4 - диеноїл КоА.Ця молекула не є субстратом для ацил-КоА дегідрогенази, тому про неї піклується 2,4 - диеноїл КоА редуктаза, яка при цьому відновлює NADP⁺ до NADPH та H ⁺, а продукт реакції - транс Δ³ еноїл-КоА.Зауважте, транс Δ³ ми ще не зустрічали, ця молекула не являється субстратом для ніяких ферментів, тому, тут на допомогу приходить цис Δ³ еноїл-КоА ізомераза(та ж сама що і у мононенасичених) і в результаті ми маємо транс Δ² еноїл-КоА, яка є субстратом для ацил-КоА гідратази, цикл продовжується вільно далі.

Окиснення жирних кислот в пероксисомах

Жирні кислоти, які мають більше 20 атомів карбону не можуть потрапити в мітохондрію, натомість, вони потрапляють в пероксисому.
Процес майже ідентичний, як і в мітохондріях, але: в результаті першої реакції, яка каталізується за рахунок ацил-КоА дегідрогенази утворюється не FADH2, а пероксид водню, який потім нейтралізується за допомогою фермента каталаза до води та оксигену.Всі інші процеси ідентичні, окрім того, що коли в результаті декількох циклів бета-окиснення довжина жирної кислоти стає 8 атомів карбону(октаноїл КоА), то ця молекула транспортується в мітохондрію, там бета-окиснення і закінчується.