19.4. Основные реакции метаболизма карбоновых кислот

Карбоновые кислоты, по сравнению с другими органиче­скими веществами, содержатся в значительном количестве в клетках животных и особенно растений. Они являются продук­тами превращения основных питательных веществ: жиров, бел­ков и углеводов. Кроме того, многие имеющиеся или посту­пающие в клетку органические вещества на конечных этапах катаболизма (диссимиляции) превращаются в ту или иную карбоновую кислоту. В то же время карбоновые кислоты синтези­руются в клетке, т. е. являются продуктами анаболизма (асси­миляции), так как они необходимы для жизнедеятельности клетки и организма в целом.

19.4.1. Биосинтез жирных кислот

Биосинтез жирных кислот в организме - многостадийный циклический процесс. Хотя он начинается с ацилирования уксус­ной кислотой кофермента А с образованием ацетилкофермента А, но I стадией считается конденсация СО2 с ацетилкоферментом А с образованием малонилкофермента А:

Малонилкофермент А конденсируется с новой молекулой аце­тилкофермента А. Эта конденсация сопровождается декарбоксилированием и образованием ацетоацетилкофермента А и молеку­лы кофермента А:

Карбонильная группа ацетоацетилкофермента А восстанав­ливается в три стадии.

В итоге этого цикла окислительно-восстановительных реак­ций, катализируемых мультиферментным ансамблем и сопря­женных с гидролизом АТФ, происходит удлинение углеродной цепи на два атома углерода. Затем опять происходит конденса­ция бутирилкофермента А с оксидом углерода(4) и повторение последующих реакций цикла. Биосинтез пальмитиновой кисло­ты включает 7 подобных циклов. Суммарное уравнение биосин­теза пальмитиновой кислоты из ацетилкофермента А можно представить следующим образом:

1 9.4.2. Биологическое окисление жирных кислот

Жирными кислотами называют как предельные, так и не­предельные высшие карбоновые кислоты, углеводородная цепь которых содержит более 12 углеродных атомов. В организмах окисление жирных кислот - чрезвычайно важный процесс, и оно может быть направлено на а-, B- и -углеродные атомы мо­лекул карбоновых кислот. Среди этих процессов наиболее часто происходит B-окисление.

B-Окисление жирных кислот. Образующиеся при гидролизе жиров карбоновые кислоты подвергаются Р-окислению в мито­хондриях, куда они поступают в виде соответствующих ацилкоферментов А. Р-Окисление жирных кислот включает последовательность окислительно-восстановительных реакций, пред­ставленных ниже:

I реакция заключается в дегидрировании по а- и Р-углеродным атомам при участии окисленной формы кофермента ФАД, которая выступает окислителем. Реакция протекает стереоспецифично, и ее продуктом является транс-изомер ненасыщенной кислоты.

II реакция состоит в присоединении молекулы воды по возник­шей двойной связи. При гидратации транс-алкенового фрагмента образуется оптический L-изомер Р-оксикарбоновой кислоты.

3. реакция включает дегидрирование спиртового фрагмен­та, которое осуществляется соответствующей дегидрогеназой и окисленной формой кофермента НАД⁺. В результате окисления образуется р-оксокислота, из-за чего весь процесс в целом назы­вается р-окислением.

4. реакция, катализируемая тиолазой, сопровождается вну­тримолекулярным окислительно-восстановительным расщепле­нием связи с отщеплением ацетилкофермента и присоеди­нением компонентов кофермента А по месту разрыва межугле­родной связи.

Четыре рассмотренные реакции процесса B-окисления состав­ляют цикл, в ходе которого происходит укорочение углеродной цепи жирной кислоты на два углеродных атома. Один из воз­никших продуктов окисления стеариновой кислоты - пальмитилкофермент А - вновь подвергается Р-окислению путем повто­рения рассмотренного цикла реакций. Другой продукт реакции -ацетилкофермент А - обычно вступает в реакции цикла Кребса с образованием конечных продуктов катаболизма СО2 и H2О.

Таким образом, Р-окисление жирных кислот имеет цикли­ческий характер. Каждый цикл состоит из четырех реакций, а число циклов зависит от длины углеводородной цепи карбоновой кислоты. При B-окислении одной молекулы стеариновой кислоты параллельно образуется 40 молекул АТФ, а при пол­ном окислении этой кислоты до СО2 и Н2О, т. е. включая цикл Кребса, образуется всего 146 молекул АТФ. Это свидетельствует о важности процессов окисления жирных кислот с позиции энергетики организма.

a-Окисление жирных кислот. В растениях под действием ферментов происходит окисление жирных кислот по a-углеродному атому - а-окисление. Это окисление тоже имеет цикличе­ский характер, причем цикл состоит из двух реакций.

I реакция заключается в окислении жирной кислоты пероксидом водорода с участием соответствующей пероксидазы в со­ответствующий альдегид и СО2:

В результате этой реакции углеводородная цепь укорачива­ется на один углеродный атом.

I I реакция состоит в гидратации и окислении образовавше­гося альдегида в соответствующую карбоновую кислоту под дей­ствием альдегидодегидрогеназы с окисленной формой кофер­мента НАД⁺:

Затем цикл ос-окисления повторяется снова. ос-Окисление высших жирных кислот характерно только для растений.

га -Окисление жирных кислот. В печени животных и у неко­торых микроорганизмов существует ферментная система, обеспе­чивающая -окисление, т. е. окисление по концевой СНз-группе, обозначаемой буквой , углеводородного радикала жирных ки­слот. Сначала под действием монооксигеназы происходит гидроксилирование с образованием -оксикислоты:

Далее -оксикислота окисляется в -дикарбоновую кислоту:

Полученная -дикарбоновая кислота укорачивается с любо­го конца посредством реакций B-окисления.

Окисление прямоцепочечных жирных кислот, которые обыч­но имеются в живых системах, протекает гладко по любому из разобранных методов. Если же углеводородная цепь жирной ки­слоты имеет разветвление, то ее биологическое окисление пре­кращается, дойдя до места разветвления цепи. Это следует учи­тывать при работе с синтетическими карбоновыми или сульфокислотами и их производными, имеющими разветвленную углеводородную цепь или содержащими фрагменты с бензольным кольцом, которые применяются как синтетические моющие средства (разд. 27.3.3). Их неполное окисление приводит к про­дуктам, сохраняющим частично поверхностно-активные свойст­ва. Загрязнение водоемов этими продуктами, способствующими пенообразованию на поверхности, приводит к резкому ухудше­нию газообмена в таких водоемах.