24.5: Окислення жирних кислот

Last updated
Save as PDF

Page ID: 21514

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Опишіть етапи окислення жирних кислот.
Розрахуйте вихід АТФ від окислення жирних кислот.

Жирні кислоти, що виділяються при перетравленні тригліцеридів та інших ліпідів, розщеплюються в серії послідовних реакцій, що супроводжуються поступовим вивільненням корисної енергії.

Активація жирних кислот

Окислення жирних кислот ініціюється в цитозолі. Там жирні кислоти, які, як і вуглеводи, є відносно інертними, спочатку повинні бути активовані шляхом перетворення в багате енергією жирних кислот похідне коферменту А, званого жирним ацил-коензимом А (CoA). Активація каталізується ацил-КоА-синтетазою. Для кожної молекули активованої жирної кислоти використовується одна молекула коферменту А і одна молекула аденозинтрифосфату (АТФ), що дорівнює чистому використанню двох високоенергетичних зв'язків в одній молекулі АТФ (яка, таким чином, перетворюється в аденозинмонофосфат [АМФ], а не аденозиндифосфат [ADP]):

Транспорт в матрицю мітохондрій

Жирний ацил-КоА не може перетнути мембрану шляхом дифузії і тому повинен транспортуватися в мітохондріальний матрикс за допомогою молекули носія, відомої як карнітин. На зовнішній мембрані мітохондрій жирний ацил-КоА приєднується до гідроксильної групи карнітину в реакції трансестерифікації, каталізованої карнітинацилтрансферазою I (також називається карнітинпальмітоїлтрансферазою I, CPTI). Похідне ацил-карнітину транспортується в мітохондріальний матрикс шляхом полегшеної дифузії через транслоказний білок (карнітин-ацилкарнітин транслоказа). Потрапивши в матрицю, ацил-карнітин перетворюється назад в жирний ацил-КоА і карнітин в реакції, каталізованої карнітинацилтрансферазою II (також називається карнітин пальмітоїлтрансфераза II, CPTI).

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Рух ацил-CoAs в мітохондріальний матрикс

Окислення жирного ацил-КоА

Потрапивши всередину мітохондрій, жирний ацил-КоА може вступати в бета-окислення, що являє собою чотириступінчастий цикл, який видаляє вуглеці з жирної кислоти два одночасно, утворюючи ацетил-КоА (який в кінцевому підсумку дає енергію у вигляді АТФ).

КРОК 1: Перше\(\beta\) окислення (дегідрування алкану)

Жирний ацил-КоА окислюється ферментом, ацил-КоА-дегідрогеназою, щоб отримати транс-подвійний зв'язок між\(\alpha\) - і\(\beta\) - вуглецями (перший і другий вуглеці, приєднані до карбонільної групи). Коензим FAD зменшується шляхом прийняття двох атомів водню і їх електронів, що утворюють FADH ₂, який рухається в ланцюг транспорту електронів.

КРОК 2: Гідратація (додавання води через подвійний зв'язок)

Потім транс-алкен гідратується за допомогою еноїл-КоА-гідратази. Гідроксильна група поміщається на\(\beta\) -карбон.

КРОК 3: Друге\(\beta\) окислення (окислення спирту)

Спирт гідроксиаклі-КоА потім окислюється до карбонілу за допомогою \(\beta\)-гідроксиацил-КоА-дегідрогенази та коферменту NAD ⁺.

КРОК 4: Тіолітична розщеплення

Фермент тіолаза (ацил-КоА ацетилтрансфераза) відщеплює ацетил-КоА і приєднує новий коензим А до ланцюга, щоб отримати ацил-КоА, який на два вуглеці коротший, ніж раніше. Ацил-КоА продовжить цикл і почнеться назад на кроці 1. Розщеплений ацетил-КоА може потім увійти в цикл лимонної кислоти та ланцюг транспорту електронів, оскільки він вже знаходиться в мітохондріях.

Додаткові кроки потрібні для ненасичених жирних кислот і тих, у кого парна кількість вуглецю. Кількість енергії, що виділяється жирною кислотою, визначається кількістю АТФ, виробленого з ацетил-КоА, що надходить в цикл лимонної кислоти, і з відновлених коферментів NADH і FADH ₂, що надходять в ланцюг транспорту електронів.

Вихід АТФ від окислення жирних кислот

Кількість АТФ, одержуваного при окисленні жирних кислот, залежить від розміру окислюється жирної кислоти. Для наших цілей тут ми вивчимо пальмітинову кислоту, насичену жирну кислоту з 16 атомами вуглецю, як типову жирну кислоту в раціоні людини. Розрахунок його виходу енергії дає модель визначення виходу АТФ всіх інших жирних кислот.

Розпад 1 моль пальмітинової кислоти вимагає 1 моль АТФ (для активації) і утворює 8 моль ацетил-КоА. Нагадаємо з того, що кожен моль ацетил-КоА, метаболізованого циклом лимонної кислоти, дає 10 моль АТФ. Повна деградація 1 моль пальмітинової кислоти вимагає повторення реакцій\(\beta\) окислення сім разів. Таким чином, виробляється 7 моль НАДГ і 7 моль ФАДГ ₂. Повторне окислення цих коферментів через дихання дає 2,5-3 і 1,5-2 моль АТФ відповідно. Енергетичні розрахунки можна підсумувати наступним чином:

1 моль АТФ розщеплюється на AMP і 2P _i	−2 АТП
8 моль утворюється ацетил-КоА (8 × 12)	96 АТП
7 моль ФАДГ ₂ утворився (7 × 2)	14 АТП
7 моль NADH утворюється (7 × 3)	21 АТП
Всього	129 КП

Кількість разів β-окислення повторюється для жирної кислоти, що містить n атомів вуглецю, становить n/2 - 1, оскільки кінцевий оборот дає дві молекули ацетил-КоА.

При згорянні 1 моль пальмітинової кислоти виділяється значна кількість енергії:

\[C_{16}H_{32}O_2 + 23O_2 → 16CO_2 + 16H_2O + 2,340\; kcal \nonumber \]

Відсоток цієї енергії, яка зберігається клітиною у вигляді АТФ, виглядає наступним чином:

\[\mathrm{\dfrac{energy\: conserved}{total\: energy\: available}\times100=\dfrac{(129\: ATP)(7.4\: kcal/ATP)}{2,340\: kcal}\times100=41\%} \nonumber \]

Ефективність обміну жирних кислот порівнянна з ефективністю вуглеводного обміну, який ми розрахували на 42%.

При окисленні жирних кислот утворюється велика кількість води. Це вода, яка витримує перелітних птахів і тварин (наприклад, верблюда) протягом тривалого періоду часу.