В биохимии и метаболизме, бета-окисление - это катаболический процесс, посредством которого молекулы жирной кислоты расщепляются в цитозоле у прокариот и в митохондриях у эукариот с образованием ацетил-КоА, который входит в цикл лимонной кислоты, и NADH и FADH 2, которые являются коферментами, используемыми в электронная транспортная цепь. Он назван так потому, что бета-углерод жирной кислоты подвергается окислению до карбонильной группы. Бета-окислению в первую очередь способствует митохондриальный трифункциональный белок, ферментный комплекс, связанный с внутренней митохондриальной мембраной, хотя жирные кислоты с очень длинной цепью окисляются в пероксисомы.
Общая реакция для одного цикла бета-окисления:
Свободные жирные кислоты не могут проникнуть через какие-либо биологические мембраны из-за их отрицательного заряда. Свободные жирные кислоты должны проходить через клеточную мембрану через специфические транспортные белки, такие как транспортный белок семейства жирных кислот SLC27. Попав в цитозоль, следующие процессы переносят жирные кислоты в матрикс митохондрий, так что может происходить бета-окисление.
стадия-1 | стадия-2 | стадия-3 | стадия-4 |
Схематическая иллюстрация процесса липолиза (в жировой клетке), индуцированного высоким адреналин и низкий уровень инсулина в крови. Эпинефрин связывается с бета-адренергическим рецептором в клеточной стенке адипоцита, что вызывает образование цАМФ внутри клетки. ЦАМФ активирует протеинкиназу, которая фосфорилирует и, таким образом, в свою очередь, активирует гормоночувствительную липазу в жировой клетке. Эта липаза расщепляет свободные жирные кислоты из-за их присоединения к глицерину в жире, хранящемся в жировой капле адипоцита. Затем свободные жирные кислоты и глицерин высвобождаются в кровь. | Схематическое изображение транспорта свободных жирных кислот в крови, прикрепленных к альбумину плазмы, его диффузии через клеточная мембрана с использованием переносчика белка и ее активация с использованием АТФ с образованием ацил-КоА в цитозоле. На рисунке для целей диаграммы показана жирная кислота с 12 углеродными атомами. Большинство жирных кислот в плазме крови человека имеют длину от 16 до 18 атомов углерода. | Схематическое изображение переноса молекулы ацил-КоА через внутреннюю мембрану митохондрии посредством карнитин-ацил- КоА-трансфераза (CAT). Проиллюстрированная ацильная цепь для схематических целей состоит всего из 12 атомов углерода. Большинство жирных кислот в плазме человека состоят из 16 или 18 атомов углерода. CAT ингибируется высокими концентрациями малонил-КоА (первая обязательная стадия в синтезе жирных кислот ) в цитоплазме. Это означает, что синтез жирных кислот и катаболизм жирных кислот не могут происходить одновременно в какой-либо данной клетке. | Схематическое изображение процесса бета-окисления молекулы ацил-КоА в митоходриальном матриксе. Во время этого процесса образуется молекула ацил-КоА, которая на 2 атома углерода короче, чем была в начале процесса. Ацетил-КоА, вода и 5 молекул АТФ являются другими продуктами каждого бета-окислительного процесса, пока вся молекула ацил-КоА не будет восстановлена до набора молекул ацетил-КоА. |
Как только жирная кислота оказывается внутри митохондриального матрикса, происходит бета-окисление путем расщепления двух атомов углерода в каждом цикле с образованием ацетил-КоА. Процесс состоит из 4 шагов.
Жирные кислоты окисляются в большинстве тканей тела. Однако некоторые ткани, такие как красные кровяные тельца млекопитающих (которые не содержат митохондрии) и клетки центральной нервной системы, не используют жирные кислоты для удовлетворения своих энергетических потребностей, но вместо этого используйте углеводы (красные кровяные тельца и нейроны) или кетоновые тела (только нейроны).
Поскольку многие жирные кислоты не полностью насыщены или не имеют четного числа атомов углерода, несколько разных механизмы эволюционировали, описанные ниже.
Попав в митохондрии, каждый цикл β-окисления, высвобождающий двухуглеродную единицу (ацетил-КоА ), происходит в последовательности из четырех реакции:
Описание | Схема | Фермент | Конечный продукт |
Дегидрирование с помощью FAD : Первая стадия - окисление жирной кислоты ацил-CoA- Дегидрогеназа. Фермент катализирует образование двойной связи между C-2 и C-3. | ацил-КоА-дегидрогеназа | транс-Δ-еноил-КоА | |
Гидратация: Следующим этапом является гидратация связи между C-2 и C-3. Реакция является стереоспецифической, образуя только L изомер. | еноил-КоА-гидратазу | L-β-гидроксиацил-КоА | |
Окисление НАД : Третий этап - это окисление L-β-гидроксиацил-КоА с помощью НАД. Это преобразует гидроксильную группу в кето группу. | 3-гидроксиацил-CoA дегидрогеназа | β-кетоацил CoA | |
тиолиз : заключительный этап расщепление β-кетоацил-КоА с помощью тиольной группы другой молекулы кофермента A. Тиол вставлен между C-2 и C-3. | β-кетотиолаза | Молекула ацетил-CoA и молекула ацил-CoA, которая представляет собой два атома углерода. короче |
Этот процесс продолжается до тех пор, пока вся цепь не будет расщеплена на ацетил-КоА-звенья. Последний цикл производит два отдельных ацетил-КоА вместо одного ацил-КоА и одного ацетил-КоА. Для каждого цикла Ацил-КоА укорачивается на два атома углерода. Одновременно образуется одна молекула FADH 2, NADH и ацетил-КоА.
Как правило, жирные кислоты с нечетным числом атомов углерода обнаруживаются в липидах растений и некоторых морских организмов. Многие жвачные животные образуют большое количество 3-углеродного пропионата во время ферментации углеводов в рубце. Длинноцепочечные жирные кислоты с нечетным числом атомов углерода встречаются, в частности, в жире и молоке жвачных животных.
Цепи с нечетным числом атомов углерода окисляются так же, как и четные- пронумерованные цепи, но конечными продуктами являются пропионил-КоА и ацетил-КоА
Пропионил-КоА сначала карбоксилируется с использованием бикарбонатного иона в D -стереоизомер метилмалонил-КоА в реакции с участием кофактора биотина , АТФ и фермента пропионил-КоА-карбоксилазы. Углерод бикарбонатного иона добавляется к среднему углероду пропионил-КоА, образуя D-метилмалонил-КоА. Однако конформация D ферментативно преобразуется в конформацию L под действием метилмалонил-CoA-эпимеразы, затем она подвергается внутримолекулярной перегруппировке, которая катализируется метилмалонил-CoA мутазой (требуется B 12 в качестве кофермента) с образованием сукцинил-КоА. Образованный сукцинил-КоА может затем войти в цикл лимонной кислоты.
Однако, в то время как ацетил-КоА входит в цикл лимонной кислоты, конденсируясь с существующей молекулой оксалоацетата, сукцинил-КоА входит в цикл как самостоятельный принципал. Таким образом, сукцинат просто добавляет к популяции циркулирующих молекул в цикле и не подвергается чистому метаболизму, пока находится в нем. Когда эта инфузия промежуточных продуктов цикла лимонной кислоты превышает катаплеротическую потребность (например, для синтеза аспартата или глутамата ), некоторые из них могут быть извлечены до путь глюконеогенеза в печени и почках через фосфоенолпируваткарбоксикиназу и превращается в свободную глюкозу.
β-Окисление ненасыщенных жирных кислот представляет собой проблему, поскольку расположение цис-связи может предотвратить образование транс-Δ связи. Эти ситуации обрабатываются двумя дополнительными ферментами: еноил-КоА-изомеразой или 2,4-диеноил-КоА-редуктазой.
Полное бета-окисление линолевой кислоты (ненасыщенной жирной кислоты).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-гидратаза :
Подводя итог:
Окисление жирных кислот также происходит в пероксисомах, когда цепи жирных кислот слишком долго обрабатываться митохондриями. В пероксисомах используются те же ферменты, что и в митохондриальном матриксе, и образуется ацетил-КоА. Считается, что жирные кислоты с очень длинной цепью (больше C-22), разветвленные жирные кислоты, некоторые простагландины и лейкотриены подвергаются начальному окислению в пероксисомах до октаноил-CoA, в этот момент он подвергается митохондриальному окислению.
Одно существенное отличие состоит в том, что окисление в пероксисомах не связано с синтезом АТФ. Вместо этого электроны с высоким потенциалом переносятся на O 2, что дает H 2O2. Однако он выделяет тепло. Фермент каталаза, обнаруженный в основном в пероксисомах и цитозоле эритроцитов (а иногда и в митохондриях ), преобразует водород перекиси в воду и кислород.
Для пероксисомного β-окисления также требуются ферменты, специфичные для пероксисомы и очень длинных жирных кислот. Существует четыре основных различия между ферментами, используемыми для митохондриального и пероксисомального β-окисления:
Пероксисомальное окисление индуцируется диетой с высоким содержанием жиров и введением гиполипидемических препаратов, таких как клофибрат.
Теоретически выход АТФ для каждого цикла окисления максимальный выход 17, как НАДН производит 3 АТФ, FADH 2 производит 2 АТФ, а полное вращение Ацетил-КоА в цикле лимонной кислоты дает 12 АТФ. На практике это ближе к 14 АТФ для полного цикла окисления, поскольку теоретический выход не достигается - обычно он ближе к 2,5 АТФ на произведенную молекулу НАДН, 1,5 АТФ на каждую произведенную молекулу FADH 2, и это равняется до 10 АТФ за цикл ТСА (в соответствии с отношением P / O ), разбитых следующим образом:
Источник | АТФ | Всего |
1 FADH 2 | x 1,5 АТФ | = 1,5 АТФ (теоретически 2 АТФ) |
1 НАДН | x 2,5 АТФ | = 2,5 АТФ (теоретически 3 АТФ) |
1 ацетил-КоА | x 10 АТФ | = 10 АТФ (теоретически 12 АТФ) |
ИТОГО | = 14 АТФ |
Для насыщенного жира с четным номером (C 2n) n - 1 окисления необходимо, и последний процесс дает дополнительный ацетил-КоА. Кроме того, два эквивалента АТФ теряются во время активации жирной кислоты. Следовательно, общий выход АТФ может быть указан как:
или
Например, выход АТФ из пальмитата (C16, n = 8) составляет:
Представлено в виде таблицы:
Источник | ATP | Всего |
7 FADH 2 | x 1,5 ATP | = 10,5 ATP |
7 NADH | x 2,5 ATP | = 17,5 ATP |
8 ацетил CoA | x 10 ATP | = 80 ATP |
Активация | = -2 ATP | |
NET | = 106 ATP |
Для источников, использующих более крупный ATP производственные числа, описанные выше, всего 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.
Реакции бета-окисления и часть цикла лимонной кислоты имеют структурное сходство в трех из четырех реакций бета-окисления: окислении под действием FAD, гидратация и окисление НАД. Каждый фермент этих метаболических путей имеет структурное сходство.
В пути β-окисления участвует не менее 25 ферментов и специфических транспортных белков. Из них 18 были связаны с заболеваниями человека, такими как врожденные нарушения метаболизма.