1.2.3.Окисление жирных кислот
Наряду с окислением углеводов важным биоэнергетическим процессом является окисление жирных кислот. Остатки жирных кислот длиной до 18 углеродных атомов входят в состав жиров, которые являются важным энергетическим резервом живых организмов, и в состав важнейших фосфолипидов, из которых построены многочисленные мембраны. Жирные кислоты образуются при гидролизе сложноэфирных связей этих соединений внутриклеточными липазами и фосфолипазами или аналогичными ферментами в пищеварительном тракте высших организмов. У эукариот окисление жирных кислот происходит преимущественно в митохондриальном матриксе.
Все стадии окислительной деструкции жирных кислот протекают с ацильными остатками, связанными тиоэфирной связью с коферментом А. Этим процессам предшествует образование ацилкофермента А из жирной кислоты и кофермента А, происходящее сопряженно с расщеплением АТР до АМР и неорганического пирофосфата, и катализируемое ацил-СоА синтетазой (тиокиназой жирных кислот):
Из цитоплазмы в митохондриальный матрикс жирные кислоты и ацилкофермент А непосредственно не проникают и предварительно превращаются в соответствующие ацильные производные карнитина по реакции, катализируемой карнитин-ацил-СоА трансферазой (для длинных цепей):
С помощью такого же фермента в матриксе после пересечения ацилкарнитином внутренней митохондриальной мембраны происходит обратный перенос ацильного остатка на кофермент А и начинается цепочка превращений, приводящая к ступенчатой деградации углеводородной цепи. Каждый цикл такой деградации приводит к укорочению цепи на два углеродных атома и состоит из следующих стадий:
1. Дегидрирование ,-метиленовых групп с помощью ацил-СоА дегидрогеназы. Фермент представляет собой флавопротеид, который, получив электроны (атомы Н) от ацильного остатка, передает их с помощью промежуточного переносчика, также флавопротеида, на кофермент Q, т. е. в цепь переноса электронов. Поэтому суммарное уравнение реакции, катализируемой ацилкофермент А дегидрогеназой, имеет вид:
(
8.0)
В митохондриях всего три ацилкофермент А дегидрогеназы, специфичные к ацильным остаткам разной длины — коротким (4–6 атомов С), средним (8–12 атомов С) и длинным (8–18 атомов С). Поскольку с кофермента Q электроны переносятся на кислород через комплексы III и IV, то биоэнергетическим итогом одного акта дегидрирования а, a,b-метиленовых групп является фосфорилирование двух молекул АDP с образованием двух молекул АТP.
2. Гидратация двойной связи, образовавшейся на предыдущей стадии, которая катализируется еноил-СоА гидратазой:
3. Окисление гидроксигруппы до кетогруппы с помощью NAD+, катализируемое 3-оксиацил-СоА дегидрогеназой:
4. Перенос фрагмента СО–(СН2–СН2)nСН3 на SН-группу новой молекулы кофермента А, катализируемый 3-кетоацил-СоА тиолазой:
Схема окисления двухуглеродного фрагмента СН2СН2 до связанного с коферментом А фрагмента СОСН3 представлена на Рис. 8 .5.
Рис. 8.5. Схема одного цикла окислительной деструкции СН2СН2-группы жирной кислоты
Образовавшаяся молекула ацилкофермента А с укороченным на два атома углерода ацильным фрагментом вступает в следующий цикл деградации. Процесс продолжается до тех пор, пока не образуется ацетоацетилкофермент А, при взаимодействии которого с молекулой СоА образуется две молекулы ацетилкофермента А:
Окисление СоQН2 и NADH осуществляется в цепи переноса электронов и сопровождается окислительным фосфорилированием. Таким образом, биоэнергетический итог частичного окисления двух атомов углерода состоит в образовании 5 молекул АТР. Это еще не полный итог, поскольку дальнейшее сгорание ацетильного остатка ацетилкофермента А до СО2 и Н2О сопровождается дополнительным запасанием энергии.
Если деградации подвергается ацильный остаток, содержащий нечетное число атомов углерода, цепочка процессов завершается образованием пропионилкофермента А. В этом случае происходит превращение пропионильного остатка в четырехуглеродный фрагмент путем присоединения молекулы СО2, катализируемого пропионил-СоА карбоксилазой и далее изомеризация образовавшегося метилмалонилкофермента А в сукцинилкофермент А при участии фермента метилмалонил-СоА мутазы:
Кофактором этого фермента является витамин В12, содержащий кобальт.
Образующийся сукцинилкофермент А далее деградирует по общей схеме в цикле трикарбоновых кислот.