Что такое бета окисление

Бета-окисление

Общая реакция для одного цикла бета-окисления:

СОДЕРЖАНИЕ

Активация и мембранный транспорт [ править ]

Общий механизм [ править ]

Поскольку многие жирные кислоты не полностью насыщены или не имеют четного числа атомов углерода, возникло несколько различных механизмов, описанных ниже.

Четные насыщенные жирные кислоты [ править ]

Попав внутрь митохондрий, каждый цикл β-окисления с высвобождением двухуглеродной единицы ( ацетил-КоА ) происходит в последовательности четырех реакций:

Нечетные насыщенные жирные кислоты [ править ]

Как правило, жирные кислоты с нечетным количеством атомов углерода содержатся в липидах растений и некоторых морских организмов. Многие жвачные животные образуют большое количество 3-углеродного пропионата во время ферментации углеводов в рубце. [8] Длинноцепочечные жирные кислоты с нечетным числом атомов углерода содержатся, в частности, в жире и молоке жвачных животных. [9]

Цепи с нечетным числом атомов углерода окисляются так же, как и цепи с четным номером, но конечными продуктами являются пропионил-КоА и ацетил-КоА.

Однако, в то время как ацетил-КоА входит в цикл лимонной кислоты путем конденсации с существующей молекулой оксалоацетата, сукцинил-КоА входит в цикл как самостоятельный основной компонент. Таким образом, сукцинат просто добавляет к популяции циркулирующих молекул в цикле и не подвергается чистому метаболизму, пока находится в нем. Когда это вливание промежуточных продуктов цикла лимонной кислоты превышает катаплеротическую потребность (например, для синтеза аспартата или глутамата ), некоторые из них могут быть извлечены в путь глюконеогенеза в печени и почках через фосфоенолпируваткарбоксикиназу и преобразованы в свободную глюкозу. [10]

Ненасыщенные жирные кислоты [ править ]

Какой бы ни была конформация углеводородной цепи, β-окисление происходит нормально до тех пор, пока ацил-КоА (из-за наличия двойной связи) не станет подходящим субстратом для ацил-КоА-дегидрогеназы или еноил-КоА-гидратазы :

Пероксисомальное бета-окисление [ править ]

Для пероксисомального β-окисления также требуются ферменты, специфичные для пероксисомы и очень длинных жирных кислот. Есть четыре ключевых различия между ферментами, используемыми для митохондриального и пероксисомального β-окисления:

Выход энергии [ править ]

Представлено в виде таблицы:

Для источников, которые используют большие количества продукции АТФ, описанные выше, общая сумма будет 129 АТФ = <(8-1) * 17 + 12-2>эквивалентов на пальмитат.

Бета-окисление ненасыщенных жирных кислот изменяет выход АТФ из-за потребности в двух возможных дополнительных ферментах.

Сходства между бета-окислением и циклом лимонной кислоты [ править ]

Клиническое значение [ править ]

Источник

Бета-окисление – определение, шаги и тест

Определение бета-окисления

Бета-окисление – это метаболический процесс, включающий несколько стадий, посредством которых молекулы жирных кислот расщепляются для производства энергии. Более конкретно, бета-окисление состоит в том, чтобы долго разрушаться жирные кислоты которые были превращены в ацил-СоА-цепи в постепенно уменьшающиеся жирные ацил-КоА-цепи. Эта реакция высвобождает ацетил-КоА, FADH2 и NADH, три из которых затем вступают в другой метаболический процесс, называемый циклом лимонной кислоты или Цикл Кребса, в котором производится АТФ для использования в качестве энергии. Бета-окисление продолжается до тех пор, пока не образуются две молекулы ацетил-КоА, и цепь ацил-КоА полностью не разрушается. В эукариотических клетках бета-окисление происходит в митохондрии в то время как в прокариотических клетках это происходит в цитозоль.

Для того, чтобы произошло бета-окисление, жирные кислоты должны сначала попасть в клетка сквозь клеточная мембрана, а затем привязать к коэнзим A (CoA), образуя жирный ацил CoA и, в случае эукариотических клеток, попадает в митохондрии, где происходит бета-окисление.

Где происходит бета-окисление?

Бета-окисление происходит в митохондриях эукариотических клеток и в цитозоле прокариотических клеток. Однако, прежде чем это произойдет, жирные кислоты должны сначала проникнуть в клетку, а в случае эукариотических клеток – в митохондрии. В случаях, когда цепочки жирных кислот слишком длинные, чтобы проникнуть в митохондрии, бета-окисление также может происходить в пероксисомах.

Во-первых, белковые транспортеры жирных кислот позволяют жирным кислотам проходить через клеточную мембрану и проникать в цитозоль, поскольку отрицательно заряженные цепи жирных кислот не могут пересекать его иначе. Затем фермент жирная ацил-КоА-синтаза (или FACS) добавляет группу СоА к цепи жирных кислот, превращая ее в ацил-КоА.

В зависимости от длины цепь ацил-КоА будет проникать в митохондрии одним из двух способов:

Как упомянуто выше, если цепь ацил-КоА слишком длинная, чтобы обрабатываться в митохондриях, она будет разрушена в результате бета-окисления в пероксисомах. Исследования показывают, что очень длинные цепочки ацил-КоА разрушаются до тех пор, пока они не станут длиной 8 атомов углерода, после чего они транспортируются и вступают в цикл бета-окисления в митохондриях. Бета-окисление в пероксисомах дает H2O2 вместо FADH2 и NADH, в результате чего выделяется тепло.

Бета-этапы окисления

Бета-окисление происходит в четыре этапа: дегидрирование, гидратация, окисление и тиолизис. Каждый шаг катализируется отдельным ферментом.

Вкратце, каждый цикл этого процесса начинается с цепи ацил-КоА и заканчивается одной ацетил-КоА, одним FADH2, одним NADH и водой, и цепь ацил-КоА становится на два атома углерода короче. Общий выход энергии за цикл составляет 17 молекул АТФ (подробности о распаде см. Ниже). Этот цикл повторяется до тех пор, пока не образуются две молекулы ацетил-КоА, в отличие от одного ацил-КоА и одной ацетил-КоА. Четыре стадии бета-окисления описаны ниже, и их можно увидеть в ссылках на рисунки в конце каждого объяснения.

дегидрогенизация

На первом этапе ацил-КоА окисляется ферментом ацил-КоА-дегидрогеназой. Двойная связь образуется между вторым и третьим атомами углерода (С2 и С3) цепи ацил-КоА, входящей в цикл бета-окисления; конечным продуктом этой реакции является транс-2-еноил-КоА (транс-дельта-2-еноил-КоА). На этом этапе используется FAD и вырабатывается FADH2, который входит в цикл лимонной кислоты и образует АТФ для использования в качестве энергии. (Обратите внимание, что на следующем рисунке отсчет углерода начинается с правой стороны: самый правый углерод ниже атома кислорода – это С1, затем С2 слева, образующий двойную связь с С3, и т. Д.)

гидратация

На втором этапе двойная связь между С2 и С3 транс-Δ2-еноил-КоА гидратируется с образованием конечного продукта L-β-гидроксиацил-КоА, который имеет гидроксильная группа (ОН) в С2, вместо двойной связи. Эта реакция катализируется другим ферментом: еноил-КоА-гидратазой. Этот шаг требует воды.

оксидирование

На третьей стадии гидроксильная группа в С2 L-β-гидроксиацил-КоА окисляется NAD + в реакции, которая катализируется 3-гидроксиацил-КоА-дегидрогеназой. Конечными продуктами являются β-кетоацил-КоА и NADH + H. NADH входит в цикл лимонной кислоты и производит АТФ, который будет использоваться в качестве энергии.

тиолиза

Наконец, на четвертом этапе β-кетоацил-КоА расщепляется тиольной группой (SH) другого КоА. молекула (КоА-SH). Фермент, который катализирует эту реакцию, является β-кетотиолазой. Расщепление происходит между С2 и С3; следовательно, конечные продукты представляют собой молекулу ацетил-КоА с исходными двумя первыми атомами углерода (С1 и С2) и цепью ацил-КоА на два атома углерода, которая короче, чем исходная цепь ацил-КоА, которая вступила в цикл бета-окисления.

Конец бета-окисления

В случае четных ацил-СоА-цепей бета-окисление заканчивается после того, как четырехуглеродная ацил-КоА-цепь распадается на две единицы ацетил-КоА, каждая из которых содержит два атома углерода. Молекулы ацетил-КоА вступают в цикл лимонной кислоты с образованием АТФ.

Выход энергии и конечные продукты

Каждый цикл бета-окисления дает 1 FADH2, 1 NADH и 1 ацетил-КоА, что по энергии эквивалентно 17 молекулам АТФ:

Однако теоретический выход АТФ выше, чем реальный выход АТФ. В действительности в каждом цикле бета-окисления образуется эквивалент примерно 12-16 АТФ.

Помимо выхода энергии, жирная цепь ацил-CoaA становится короче на два атома углерода с каждым циклом. Кроме того, бета-окисление дает большое количество воды; это полезно для эукариотических организмов, таких как верблюды, учитывая их ограниченный доступ к питьевой воде.

викторина

1. Что делает бета-окисление?A. Расщеплять углеводы.B. Расщеплять белки.C. Расщепляют жирные кислоты.D. Расщепляют жирные кислоты и белки.D. Расщеплять углеводы и белки.

Ответ на вопрос № 1

С верно. Бета-окисление расщепляет жирные кислоты для производства энергии. В частности, жирные ацил-КоА-цепи расщепляются на ацетил-КоА, FADH2, NADH и воду.

2. Каков порядок этапов цикла бета-окисления?A. Дегидрирование, гидратация, окисление и тиолизис.B. Гидратация, дегидрирование, окисление и тиолизис.C. Дегидрирование, окисление, тиолиз и гидратация.D. Гидратация, дегидрирование, тиолиз и окисление

Ответ на вопрос № 2

верно. Стадии в порядке: дегидрирование, гидратация, окисление и тиолизис.

3. Какие конечные продукты дает каждый цикл бета-окисления?A. Одна ацил-КоА, одна NADH, вода и одна цепь ацетил-КоА на два атома углерода короче.B. Одна двухуглеродная ацил-КоА, одна NADH, вода и другая ацил-КоА цепь на два атома углерода короче.C. Одна ацил-КоА, одна FADH2, одна NADH, вода и одна цепь ацетил-КоА на два атома углерода короче.D. Одна ацетил-КоА, одна FADH2, одна NADH, вода и одна ацил-КоА цепь на два атома углерода короче.

Ответ на вопрос № 3

D верно. Эффективный цикл бета-окисления дает одну (двухуглеродную) ацетил-КоА, одну FADH2, одну NADH, воду и одну ацил-КоА-цепочку на два атома углерода. FADH2, NADH и ацетил-КоА позже вступают в цикл лимонной кислоты, что дает АТФ.

Источник

Для окисления жирных кислот существует свой путь

Окисление жирных кислот (β-окисление)

Для преобразования энергии, заключенной в жирных кислотах, в энергию связей АТФ существует метаболический путь окисления жирных кислот до СО₂ и воды, тесно связанный с циклом трикарбоновых кислот и дыхательной цепью. Этот путь называется β-окисление, т.к. происходит окисление 3-го углеродного атома жирной кислоты (β-положение) в карбоксильную группу, одновременно от кислоты отщепляется ацетильная группа, включающая С 1 и С 2 исходной жирной кислоты.

Элементарная схема β-окисления

Реакции β-окисления происходят в митохондриях большинства клеток организма (кроме нервных клеток). Для окисления используются жирные кислоты, поступающие в цитозоль из крови или появляющиеся при липолизе собственных внутриклеточных ТАГ. Суммарное уравнение окисления пальмитиновой кислоты выглядит следующим образом:

Пальмитоил-SКоА + 7ФАД + 7НАД + + 7Н₂O + 7HS-KoA → 8Ацетил-SКоА + 7ФАДН₂ + 7НАДН

Этапы окисления жирных кислот

1. Прежде, чем проникнуть в матрикс митохондрий и окислиться, жирная кислота должна активироваться в цитозоле. Это осуществляется присоединением к ней коэнзима А с образованием ацил-SКоА. Ацил-SКоА является высокоэнергетическим соединением. Необратимость реакции достигается гидролизом дифосфата на две молекулы фосфорной кислоты.

Реакция активации жирной кислоты

2. Ацил-SКоА не способен проходить через митохондриальную мембрану, поэтому существует способ переноса жирной кислоты в комплексе с витаминоподобным веществом карнитином (витамин В11). На наружной мембране митохондрий имеется фермент карнитин-ацилтрансфераза I.

Карнитин-зависимый транспорт жирных кислот в митохондрию

Последовательность реакций β-окисления жирных кислот

Расчет энергетического баланса β-окисления

Ранее при расчете эффективности окисления коэффициент P/O для НАДH принимался равным 3,0, для ФАДH₂ – 2,0.

По современным данным значение коэффициента P/O для НАДH соответствует 2,5, для ФАДH₂ – 1,5.

При расчете количества АТФ, образуемого при β-окислении жирных кислот необходимо учитывать:

Источник

Окисление жирных кислот

Содержание

Выход АТФ при полном окислении пальмитата

1 Синтаза длинноцепочечного ацил-КоА

2 Ацил-КоА-дегидрогеназа (х 7)

3 L-3-гидроксиацил-КоА-дегидрогеназа (х 7)

Примечание: в общем выходе реакции — 106 молекул АТФ — не учитываются затраты энергии на транспорт фосфата, эквивалентные 2 молекулам АТФ. Таким образом, на самом деле выход реакции составляет 104 молекулы АТФ [Salway J.G. Metabolism at a Glance. — 3rd ed. — Blackwell Publishing. — P. 38-39].

Образование АТФ в мышцах Править

В аэробных условиях лучшим источником энергии для мышц являются жирные кислоты, которые для образования АТФ предварительно подвергаются β-окислению (рис. 33.1).

Образование АТФ и кетоновых тел в печени Править

При голодании или в случае неконтролируемого сахарного диабета жирные кислоты поступают в клетки печени и транспортируются из цитозоля в митохондрии (рис. 33.2). Для переноса жирных кислот в матрикс митохондрий используется карнитиновая челночная система.

Карнитиновая челночная система Править

Пальмитоил-КоА связывается с карнитином, образуя пальмитоилкарнитин. Эту реакцию катализирует карнитинпальмитоилтрансфераза наружной мембраны митохондрий. Во внутренней мембране митохондрий расположена другая карнитинпальмитоилтрансфераза. Она катализирует обратную реакцию, расщепляя пальмитоилкарнитин на карнитин и пальмитоил-КоА.

При недостаточности карнитина жирные кислоты не могут проникнуть в митохондрии, β-окисление жирных кислот останавливается и развивается гипогликемия.

Кетогенез Править

При β-окислении жирных кислот образуются ацетил-КоА, НАДН и ФАДН2. НАДН и ФАДН2 окисляются в дыхательной цепи, и образованный АТФ для обеспечения реакций глюконеогенеза и синтеза мочевины. Из ацетил-КоА образуются кетоновые тела: ацетоацетат и β-гидроксибутират. Из ацетоацетата в небольших количествах образуется ацетон, поэтому от людей, использующих низкоуглеводную диету, и от диабетиков при кетоацидозе при выдохе исходит характерный фруктовый запах (изо рта) — это запах ацетона. Примечание: когда соотношение НАДН/НАД+ высокое (например, при диабетическом кетоацидозе) равновесие в β-гидроксибутиратдегидрогеназной реакции смещается в сторону образования β-гидроксибутирата. Таким образом, при диабетическом кетоацидозе концентрация β-гидроксибутирата может в 5 раз превышать концентрацию ацетоацетата. Запомните: метод определения содержания кетоновых тел в реакции с нитропруссидом позволяет измерять только концентрацию ацетоацетата, но не основного кетонового тела β-гидроксибутирата.

Источник

ОКИСЛЕНИЕ ЖИРНЫХ КИСЛОТ

Установлено, что окисление жирных кислот протекает в печени, почках, скелетных и сердечной мышцах, в жировой ткани. В мозговой ткани скорость окисления жирных кислот весьма незначительна; основным источником энергии в мозговой ткани служит глюкоза.

В 1904 г. Ф. Кнооп (F. Knoop) выдвинул гипотезу β-окисления жирных кислот на основании опытов по скармливанию собакам различных жирных кислот, в которых один атом водорода в концевой метильной группе (ω-углеродного атома) был замещен радикалом (С₆Н₅–).

Ф. Кнооп высказал предположение, что окисление молекулы жирной кислоты в тканях организма происходит в β-положении. В результате от молекулы жирной кислоты последовательно отщепляются двууглеродные фрагменты со стороны карбоксильной группы.

Жирные кислоты, входящие в состав естественных жиров животных и растений, имеют четное число углеродных атомов. Любая такая кислота, от которой отщепляется по паре углеродных атомов, в конце концов проходит через стадию масляной кислоты. После очередного β-окисления масляная кислота становится ацетоуксусной. Последняя затем гидроли-зуется до двух молекул уксусной кислоты. Теория β-окисления жирных кислот, предложенная Ф. Кноопом, в значительной мере послужила основой современных представлений о механизме окисления жирных кислот.

Доставка жирных кислот к месту их окисления – к митохондриям – происходит сложным путем: при участии альбумина осуществляется транспорт жирной кислоты в клетку; при участии специальных белков (fatty acid binding proteins, FABP) – транспорт в пределах цитозоля; при участии карнитина – транспорт жирной кислоты из цитозоля в митохондрии.

Процесс окисления жирных кислот складывается из следующих основных этапов.

В результате реакции образуется ацил-КоА, являющийся активной формой жирной кислоты.

Считают, что активация жирной кислоты протекает в 2 этапа. Сначала жирная кислота реагирует с АТФ с образованием ациладенилата, представляющим собой эфир жирной кислоты и АМФ. Далее сульфгидрильная группа КоА действует на прочно связанный с ферментом ациладенилат с образованием ацил-КоА и АМФ.

Транспорт жирных кислот внутрь митохондрий. Коэнзимная форма жирной кислоты, в равной мере как и свободные жирные кислоты, не обладает способностью проникать внутрь митохондрий, где, собственно, и протекает их окисление. Переносчиком активированных жирных кислот

с длинной цепью через внутреннюю митохондриальную мембрану служит карнитин. Ацильная группа переносится с атома серы КоА на гидроксильную группу карнитина с образованием ацилкарнитина, который диффундирует через внутреннюю митохондриальную мембрану:

Реакция протекает при участии специфического цитоплазматического фермента карнитин-ацилтрансферазы. Уже на той стороне мембраны, которая обращена к матриксу, ацильная группа переносится обратно на КоА, что термодинамически выгодно, поскольку О-ацильная связь в кар-нитине обладает высоким потенциалом переноса группы. Иными словами, после прохождения ацилкарнитина через мембрану митохондрий происходит обратная реакция – расщепление ацилкарнитина при участии HS-KoA и митохондриальной карнитин-ацилтрансферазы:

Внутримитохондриальное окисление жирных кислот. Процесс окисления жирной кислоты в митохондриях клетки включает несколько последовательных энзиматических реакций.

Первая стадия дегидрирования. Ацил-КоА в митохондриях прежде всего подвергается ферментативному дегидрированию, при этом ацил-КоА теряет 2 атома водорода в α- и β-положениях, превращаясь в КоА-эфир ненасыщенной кислоты. Таким образом, первой реакцией в каждом цикле распада ацил-КоА является его окисление ацил-КоА-де-гидрогеназой, приводящее к образованию еноил-КоА с двойной связью между С-2 и С-3:

Существует несколько ФАД-содержащих ацил-КоА-дегидрогеназ, каждая из которых обладает специфичностью по отношению к ацил-КоА с определенной длиной углеродной цепи.

Стадия гидратации. Ненасыщенный ацил-КоА (еноил-КоА) при участии фермента еноил-КоА-гидратазы присоединяет молекулу воды. В результате образуется β-оксиацил-КоА (или 3-гидроксиацил-КоА):

Тиолазная реакция. В ходе предыдущих реакций происходило окисление метиленовой группы при С-3 в оксогруппу. Тиолазная реакция представляет собой расщепление 3-оксоацил-КоА с помощью тиоловой группы второй молекулы КоА. В результате образуется укороченный на два углеродных атома ацил-КоА и двууглеродный фрагмент в виде ацетил-КоА. Данная реакция катализируется ацетил-КоА-ацилтрансферазой (β-ке-тотиолазой):

Образовавшийся ацетил-КоА подвергается окислению в цикле трикар-боновых кислот, а ацил-КоА, укоротившийся на два углеродных атома, снова многократно проходит весь путь β-окисления вплоть до образования бутирил-КоА (4-углеродное соединение), который в свою очередь окисляется до 2 молекул ацетил-КоА (рис. 11.2). Например, при окислении пальмитиновой кислоты (С₁₆) повторяется 7 циклов β-окисления. Запомним, что при окислении жирной кислоты, содержащей п углеродных

атомов, происходит n/2–1 цикл β-окисления (т.е. на один цикл меньше, чем n/2, так как при окислении бутирил-КоА сразу происходит образование 2 молекул ацетил-КоА) и всего получится п/2 молекул ацетил-КоА. Следовательно, суммарное уравнение β-окисления активированной кислоты можно записать так:

Пальмитоил-КоА + 7ФАД + 7НАД + + 7Н₂O + 7HS-KoA –>

Баланс энергии. При каждом цикле β-окисления образуются одна молекула ФАДН₂ и одна молекула НАДН. Последние в процессе окисления в дыхательной цепи и сопряженного с ним фосфорилирования дают: ФАДН₂ – 2 молекулы АТФ и НАДН – 3 молекулы АТФ, т.е. в сумме за один цикл образуется 5 молекул АТФ. При окислении пальмитиновой кислоты образуется 5 х 7 = 35 молекул АТФ. В процессе β-окисления пальмитиновой кислоты образуется 8 молекул ацетил-КоА, каждая из которых, «сгорая» в цикле трикарбоновых кислот, дает 12 молекул АТФ, а 8 молекул ацетил-КоА дадут 12 х 8 = 96 молекул АТФ.

Таким образом, всего при полном β-окислении пальмитиновой кислоты образуется 35 + 96 = 131 молекула АТФ. С учетом одной молекулы АТФ, потраченной в самом начале на образование активной формы пальмитиновой кислоты (пальмитоил-КоА), общий энергетический выход при полном окислении одной молекулы пальмитиновой кислоты в условиях животного организма составит 131 – 1 = 130 молекул АТФ. Изменение свободной энергии ΔF при полном сгорании 1 моля пальмитиновой кислоты составляет 2338 ккал, а богатая энергией фосфатная связь АТФ характеризуется величиной 7,6 ккал/моль. Нетрудно подсчитать, что примерно 990 ккал (7,6 х 130), или 42% от всей потенциальной энергии пальмитиновой кислоты при ее окислении в организме, используется для ресинтеза АТФ, а оставшаяся часть, очевидно, теряется в виде тепла.

Следовательно, эффективность накопления энергии в результате окисления жирных кислот при стандартных условиях составляет

Источник