Окисление жирных кислот

Биохимическая роль

Окисление жирных кислот является основным источником энергии для большинства тканей организма, особенно для печени, сердечной мышцы и скелетных мышц. Жирные кислоты обеспечивают более высокую энергетическую отдачу на единицу массы по сравнению с углеводами: полное окисление одной молекулы палмитиновой кислоты (C16:0) даёт около 106 молей АТФ. Этот процесс критически важен при длительной физической нагрузке, голодании и состоянии кетоацидоза.

Транспорт жирных кислот в митохондрии

Жирные кислоты, мобилизованные из триглицеридов в жировой ткани, транспортируются в кровотоке в комплексе с альбумином. В цитозоле они активируются ферментом ацил-КоА-синтетазой, образуя ацил-КоА, процесс, требующий 2 молекулы АТФ (фактически АТФ превращается в АМФ + PPi).

Для проникновения в митохондрию длинноцепочечные жирные кислоты используют карнитиновый транспортный механизм:

  1. Ацил-КоА взаимодействует с карнитином под действием карнитин-пальмитоилтрансферазы I (CPT I), образуя ацилкарнитин.
  2. Ацилкарнитин проходит через внутреннюю мембрану митохондрий через транслоказу карнитина.
  3. Внутри митохондрий ацилкарнитин преобразуется обратно в ацил-КоА под действием CPT II, карнитин возвращается в цитозоль.

Коротко- и среднецепочечные жирные кислоты проникают в митохондрию без участия карнитина.

Бета-окисление

Бета-окисление представляет собой последовательное отщепление двухуглеродных фрагментов от карбоксильного конца жирной кислоты с образованием ацетил-КоА. Основные стадии:

  1. Дегидрирование Ацил-КоА окисляется до транс-Δ²-еноилацил-КоА под действием ацил-КоА-дегидрогеназы, при этом восстанавливается FAD → FADH₂.

  2. Гидратация Транс-Δ²-еноилацил-КоА гидратируется ферментом эноилазой, образуя L-β-гидроксиацил-КоА.

  3. Дегидрирование гидроксиацил-КоА L-β-гидроксиацил-КоА окисляется гидроксиацил-КоА-дегидрогеназой до β-кетоацил-КоА, сопровождаясь восстановлением NAD⁺ → NADH.

  4. Тиолиз β-кетоацил-КоА расщепляется ферментом β-кетоацил-КоА-тиолазой на ацетил-КоА и укороченный на два углерода ацил-КоА, который вновь вступает в цикл β-окисления.

Процесс повторяется, пока вся жирная кислота не превратится в ацетил-КоА. Например, палмитиновая кислота (C16:0) проходит 7 циклов, образуя 8 молекул ацетил-КоА, 7 FADH₂ и 7 NADH.

Энергетическая отдача

Энергетический выход β-окисления включает:

  • Каждый FADH₂ даёт ~1,5 АТФ в цепи переноса электронов.
  • Каждый NADH даёт ~2,5 АТФ.
  • Каждая молекула ацетил-КоА при полном окислении в цикле трикарбоновых кислот генерирует ~10 АТФ.

Для палмитиновой кислоты суммарный выход составляет около 106 молей АТФ.

Регуляция

Регуляция β-окисления осуществляется на нескольких уровнях:

  • CPT I является ключевым регуляторным ферментом; ингибируется малонил-КоА, промежуточным продуктом синтеза жирных кислот.
  • Активность ацил-КоА-дегидрогеназ зависит от типа жирной кислоты (коротко-, средне- или длинноцепочечная).
  • Состояние энергетического баланса клетки влияет на уровень NADH/NAD⁺ и FADH₂/FAD, регулируя скорость окисления.

Окисление непредельных и разветвлённых жирных кислот

  • Ненасыщенные жирные кислоты требуют дополнительных изомеризационных и редуктазных ферментов для приспособления двойных связей к стандартному β-окислительному циклу.
  • Разветвлённые жирные кислоты (например, из растительных масел) окисляются с участием α- и β-метилмалонил-КоА-метаболизма, который вовлекает ферменты метилмалонил-КоА-мутазу и витамин B12.

Связь с другими метаболическими путями

Ацетил-КоА, образующийся при β-окислении, может использоваться:

  • в цикл трикарбоновых кислот для генерации NADH и FADH₂;
  • в кетогенезе, особенно в печени при голодании;
  • в синтезе стероидов и жирных кислот в условиях избыточной энергии, при участии малонил-КоА.

NADH и FADH₂ участвуют в дыхательной цепи митохондрий, обеспечивая аденозинтрифосфат и поддерживая энергетический гомеостаз клетки.

Патологические аспекты

Нарушения β-окисления могут приводить к различным заболеваниям:

  • Генетические дефициты ферментов (например, дефицит длинноцепочечной ацил-КоА-дегидрогеназы) вызывают накопление жирных кислот и метаболический ацидоз.
  • Нарушения транспорта карнитина приводят к гипокарнитинемии, мышечной слабости и гепатопатиям.
  • Избыточное β-окисление при диабете или голодании сопровождается кетонемией и повышением концентрации ацетона в крови.

Окисление жирных кислот представляет собой интегральный процесс, соединяющий энергетический, углеводный и липидный метаболизм, играющий ключевую роль в поддержании гомеостаза организма.

Оглавление