3.2.4. Распад жиров

В ходе распада ацилглицеринов осуществляется гидролиз сложно-

СН₂ОСОR₁ СН₂ОН

| |

СНОСОR₂ + 3Н₂О ¾® СНОН + R₁–СООН + R₂–СООН + R₃–СООН

| |

СН₂ОСОR₃ СН₂ОН

триацилглицерин глицерин жирные кислоты

эфирных связей ферментами липазами (3.1.1.3). Под действием липаз жиры с участием воды расщепляются до глицерина и свободных жирных кислот:

В ходе реакции гидролиза фермент последовательно катализирует расщепление первой сложноэфирной связи триацилглицерина, затем второй и далее третьей. Большинство липаз находятся в клетках растений или микроорганизмов в растворимом состоянии и имеют оптимум каталитического действия при рН 8. Для проявления каталитической активности липаз необходимо присутствие в физиологической среде катионов Са²⁺.

СН₂ОН СН₂ОН

| |

СНОН + АТФ ¾® СНОН + АДФ

| |

СН₂ОН СН₂ОⓅ

глицерин глицерол-3-фосфат

Образовавшиеся при гидролизе жира глицерин и жирные кислоты подвергаются дальнейшим превращениям. Глицерин вначале фосфорилируется от АТФ под действием фермента глицеролкиназы (2.7.1.30) и превращается в глицерол-3-фосфат:

Затем глицерол-3-фосфат окисляется с участием уже известного нам фермента НАД-специфичной глицеролфосфатдегидрогеназы, превращаясь в фосфодиоксиацетон:

СН₂ОН СН₂ОН

| |

СНОН + НАД⁺ ¾® С=О + НАД × Н + Н⁺

| |

СН₂ОⓅ СН₂ОⓅ

глицерол-3-фосфат фосфодиоксиацетон

Под действием фермента триозофосфатизомеразы фосфодиоксиацетон изомеризуется в 3-фосфоглицериновый альдегид. Поскольку данный фермент катализирует и обратную реакцию превращения 3-фосфоглицери-нового альдегида в фосфодиоксиацетон, в физиологической среде между указанными метаболитами устанавливается динамическое равновесие. Дальнейшие превращения фосфодиоксиацетона и 3-фосфоглицеринового альдегида могут происходить в двух направлениях: они могут участвовать в синтезе углеводов или включаться в дыхательные реакции.

Если в клетках организма осуществляется превращение жиров в углеводы, например при прорастании семян масличных растений, фосфодиоксиацетон и 3-фосфоглицериновый альдегид под действием фермента альдолазы конденсируются с образованием фруктозо-1,6-дифосфата, который превращается во фруктозо-6-фосфат, способный далее включаться в синтез различных углеводов по уже известным нам механизмам.

Кроме того, 3-фосфоглицериновый альдегид может включаться в реакции дыхания и использоваться как энергетический субстрат. В этом случае он окисляется в анаэробной стадии дыхания до пировиноградной кислоты, которая в результате окислительного декарбоксилирования образует ацетил-КоА, включающийся далее в реакции цикла Кребса.

Другие продукты гидролиза жиров – жирные кислоты – подвергаются окислению у человека и животных преимущественно под действием ферментов, локализованных во внутреннем матриксе митохондрий, а у растений в значительном количестве ещё и в цитоплазме клеток. В соответствии с этим у растений различают два механизма окисления жирных кислот: a-окисление и b-окисление.

Распад жирных кислот по механизму a-окисления осуществляется в цитоплазме растительных клеток и происходит в две стадии. На первой стадии жирная кислота подвергается действию фермента пероксидазы жирных кислот (1.11.1.3), который с участием пероксида водорода катализирует окислительное декарбоксилирование жирной кислоты с образованием альдегида:

O

//

R–CH₂–CH₂–COOH + H₂O₂ + ½ O₂ ¾® R–CH₂–C–H + CO₂ + 2H₂O

жирная кислота альдегид

жирной кислоты

На второй стадии a-окисления альдегид жирной кислоты окисляется

до кислоты под действием фермента дегидрогеназы альдегидов жирных кислот (1.2.1.3), включающего в качестве кофермента нуклеотидную группировку НАД:

О О

// //

R–CH₂–C–Н + Н₂О + НАД⁺ ¾® R–CH₂–C–ОН + НАД × Н + Н⁺

В результате a-окисления кислород присоединяется к a-углеродному атому жирной кислоты, а от карбоксильной группы отщепляется СО₂ и углеродная цепь жирной кислоты становится на один углеродный атом короче. При многократном повторении a-окисления происходит деградация жирной кислоты с образованием СО₂ и Н₂О. Но в ходе окисления альдегидов жирных кислот на каждую молекулу выделившегося в предшествующей реакции СО₂ синтезируется одна молекула восстановленного динуклеотида НАД (НАД × Н). Таким образом, при a-окислении жирных кислот часть их свободной энергии используется для синтеза динуклеотидов НАД × Н, которые могут далее участвовать в восстановительных реакциях, лежащих в основе синтеза различных биохимических продуктов растительной клетки.

Распад жирных кислот по механизму b-окисления происходит во внутреннем матриксе митохондрий. Большая часть жирных кислот находится не в свободном виде, а превращается в КоА-производные под действием фермента ацил-КоА-синтетазы (6.2.1.3). В ходе такого превращения осуществляется сопряжённый синтез ацил-КоА за счёт гидролиза АТФ:

О

//

R–CH₂–CH₂–C–OH + HS–КоА + АТФ ¾® R–CH₂–CH₂–C~S–КоА + АМФ + Н₄Р₂О₇

||

О

жирная кислота ацил-КоА

Одни ацил-КоА-синтетазы катализируют активирование жирных кислот с длиной цепью углеродных атомов, а другие – с более короткой цепью (4–12 углеродных атомов).

В переносе КоА-производных жирных кислот через мембраны митохондрий участвуют молекулы карнитина, содержащего биполярную группировку. Во внутренней мембране митохондрий имеется ацилтрансфераза, катализирующая перенос ацильных остатков от КоА на карнитин по следующей схеме:

СН₂–N⁺(СН₃)₃ СН₂–N⁺(СН₃)₃

| /

R–C~S–КоА + НО–СН ¾® R–С–О–СН + НS–КоА

|| | || \

O СН₂–СОО‾ O СН₂–СОО‾

ацил-КоА карнитин сложный эфир карнитина

и жирной кислоты

В соединении с карнитином жирная кислота проникает через мембраны митохондрий во внутренний митохондриальный матрикс, где снова осуществляется замещение остатка карнитина на кофермент А. Определённая часть жирных кислот (до 30%) может проходить через мембраны митохондрий в свободном виде, и их соединение с коферментом А происходит уже в митохондриальном матриксе.

В митохондриальном матриксе активированные жирные кислоты, соединённые с коферментом А, подвергаются действию фермента ацил-КоА-дегидрогеназы (1.3.99.3), содержащего в качестве простетической группы ФАД. В ходе реакции окисления от остатка жирной кислоты отщепляются электроны и протоны с образованием a,b-ненасыщенного производного жирной кислоты, присоединённого к коферменту А:

R–СН₂–СН₂–С~S–КоА + ФАД ¾® R–СН=СН–С~S–КоА + ФАД × Н₂

|| ||

О О

ацил-КоА ненасыщенное

ацил-КоА-производное

В митохондриальном матриксе имеются ацил-КоА-дегидрогеназы, способные окислять радикалы жирных кислот с длинной и короткой углеродной цепью. Перевод восстановленной формы ацил-КоА-дегидрогеназы в окисленную, способную снова взаимодействовать с новой молекулой ацил-КоА, осуществляется с участием электронпереносящего флавопротеида, который переносит электроны на один из переносчиков системы окислительного фосфорилирования во внутренней мембране митохондрий.

На следующем этапе b-окисления к ненасыщенному ацил-КоА-про-изводному жирной кислоты присоединяется молекула воды под действием фермента еноил-КоА-гидратазы (4.2.1.17) и происходит образование b-ок-сипроизводного жирной кислоты, соединённого с коферментом А:

R–СН=СН–С~S–КоА + Н₂О ¾® R–СН–СН₂–С~S–КоА

║ │ ║

О ОН О

ненасыщенное КоА- b-оксиацил-КоА-производное

производное жирной жирной кислоты

кислоты