Бета-окисление

Бе́та-окисле́ние (β-окисление), также цикл Кноопа — Линена, — метаболический процесс

В эукариотических клетках β-окисление происходит исключительно в аэробных условиях в матриксе митохондрий или пероксисомах, у растений этот процесс осуществляется в глиоксисомах.

Процесс β-окисления представляет собой специфический путь деградации жирных кислот. Он является одним из главных источников энергии, служащей для синтеза АТФ^[2].

Все реакции многостадийного окисления ускоряются специфическими ферментами. β-Окисление высших жирных кислот является универсальным биохимическим процессом, протекающим во всех живых организмах. У млекопитающих этот процесс происходит во многих тканях, в первую очередь в

β-Окисление было открыто в 1904 году немецким химиком Францем Кноопом^[нем.] (Franz Knoop) в опытах с кормлением собак различными жирными кислотами, в которых один атом водорода на концевом атоме ω-С углерода метильной группы -CH₃ был замещён на фенильный радикал -С₆H₅^[1][3].

Францем Кноопом было выдвинуто 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^[3].

Теория β-окисления жирных кислот, предложенная Ф. Кноопом, в значительной мере послужила основой современных представлений о механизме окисления жирных кислот[1]^[3].

β-Окисление представляет собой последовательность процессов:

• Активацию жирных кислот, происходящую в цитоплазме клетки с образованием ацил-КоА
• Транспортировку ацил-КоА через двойную мембрану митохондрии посредством карнитина (трансмембранный перенос)
• Внутримитохондриальное β-окисление (происходит в матриксе)^[7].

Жирные кислоты, которые образовались в клетке путём гидролиза триацилглицеридов или поступившие в неё из крови должны быть активированы, так как сами по себе они являются метаболическими инертными веществами, и вследствие этого не могут быть подвержены биохимическим реакциям, включая и окисление. Процесс их активирования происходит в

${\displaystyle {\mathsf {R-COOH+ATP+CoA-SH{\xrightarrow[{}]{Mg^{2+}}}R-COS-CoA+AMP+H_{4}P_{2}O_{7}}}.}$

ацил-КоА-синтетазы находятся как в цитоплазме, так и в матриксе митохондрий. Эти ферменты отличаются по специфичности к жирным кислотам с различной длиной углеводородной цепи. Жирные кислоты с короткой и средней длиной цепи (от 4 до 12 атомов углерода) могут проникать в матрикс митохондрий путём диффузии. Активация этих жирных кислот происходит в матриксе митохондрий^[2].

Жирные кислоты с длинной цепью, которые преобладают в организме человека (от 12 до 20 атомов углерода), активируются ацил-КоА-синтетазами, расположенными на внешней стороне внешней мембраны митохондрий.

Выделившийся в ходе реакции

При этом происходит сдвиг равновесия реакции в сторону образования ацил-КоА[2].

Поскольку процесс активации жирных кислот происходит в цитоплазме, то далее необходим транспорт ацил-КоА через мембрану внутрь митохондрии.

Образовавшийся ацилкарнитин проходит через межмембранное пространство к наружной стороне внутренней мембраны и транспортируется с помощью фермента карнитин-ацилкарнитин-транслоказы (CACT)^[2].

После прохождения ацилкарнитина (карнитин-СOR) через мембрану митохондрии происходит обратная реакция — расщепление ацилкарнитина при участии КоА-SH и фермента митохондриальной карнитинацил-КоА-трансферазы или карнитинацилтрансферазы II (карнитин-пальмитоилтрансфераза II, CPT2, КФ 2.3.1.21):

КоА-SH + карнитин-COR ↔ R-CO~SКоА + карнитин

Таким образом, ацил-КоА становится доступным для ферментов β-окисления. Свободный карнитин возвращается на цитоплазматическую сторону внутренней мембраны митохондрии той же транслоказой^[2][3][8].

После этого ацил-КоА включается в реакции β-окисления.

Процесс трансмембранного переноса жирных кислот может ингибироваться малонил-КоА^[9].

В матриксе митохондрии происходит окисление жирных кислот в цикле Кнооппа — Линена. В нём участвуют четыре фермента, которые последовательно действуют на ацил-КоА. Конечным метаболитом данного цикла является ацетил-КоА. Сам процесс состоит из четырёх реакций.

Наименование реакции	Схема реакции	Фермент	образовавшийся продукт
Дегидрирование активированной жирной кислоты (ацил-КоА). β-Окисление начинается с дегидрирования ацил-КоА ФАД-зависимой ацил-КоА дегидрогеназой жирных кислот с длинной цепью (LCAD) с образованием двойной связи между α- и β-атомами углерода (С-2 и С-3) в продукте реакции — еноил-КоА. Восстановленный в этой реакции кофермент ФАДH2 передаёт атомы водорода в ЭТЦ на кофермент Q. В результате синтезируются 2 молекулы ATФ .		ацил-КоА-дегидрогеназа ( КФ 1.3.99.3 )	Транс-Δ2-еноил-КоА
Реакция гидратации. Ненасыщенный ацил-КоА (еноил-CоА) при участии фермента еноил-CоА-гидратазы присоединяет молекулу воды. В результате образуется β-гидроксиацил-КоА. Реакция обратима и стереоспецифична, образовавшийся продукт имеет L-форму.		Еноил-CоА-гидратаза (КФ 4.2.1.17)	L-β-гидроксиацил-КоА
НАД+ — зависимое окисление или вторая реакция дегидрирования. Образовавшийся L-β-гидроксиацил-КоА затем окисляется. Реакция катализируется НАД+-зависимой дегидрогеназой.		L-β-гидроксиацетилдегидрогеназа (КФ 1.1.1.35)	L-β-кетоацил-КоА
Тиолазная реакция. В этой реакции β-кетоацил-КоА взаимодействует с коферментом А. В результате происходит расщепление β-кетоацил-КоА и образуется укороченный на два углеродных атома ацил-КоА и двууглеродный фрагмент в виде ацетил-КоА. Данная реакция катализируется ацетил-КоА-ацилтрансферазой (или β-кетотиолазой).		β-Кетотиолаза (КФ 2.3.1.9)	Ацил-КоА и ацетил-КоА

Образовавшийся ацетил-КоА подвергается окислению в цикле Кребса, 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. ФАДH₂ и НАДH·H поступают прямо в

Для полной деградации длинноцепочечной жирной кислоты цикл должен многократно повторяться, так, например, для стеарил-CоА (С₁₇Н₃₅СО~SКоА) необходимы восемь циклов[10].

В результате окисления жирных кислот с нечётным числом углеродных атомов образуются не только ацетил-КоА,

Пропионил-КоА превращается в сукцинил-КоА последовательно. Карбоксилирование пропионил-КоА осуществляется под действием пропионил-КоA-карбоксилазы (

Скорость окисления ненасыщенных жирных кислот много выше, чем насыщенных, что обусловлено наличием двойных связей. Например, если взять за эталон скорость окисления насыщенной стеариновой кислоты, то скорость окисления олеиновой в 11, линолевой в 114, линоленовой в 170, а арахидоновой почти в 200 раз выше, чем стеариновой^[1].

В результате переноса электронов по

где n — количество атомов углерода в молекуле жирной кислоты; 10 и 4 — соответственно, количество молекул АТФ, синтезируемых при окислении 1 моль ацетил-КоА в цикле Кребса и в одном цикле бета-окисления жирной кислоты (1,5 АТФ от ФАДН₂ и 2,5 АТФ от НАДН); -2 — количество АТФ, затраченные на активацию жирной кислоты.

Формула для расчёта общего количества АТФ, которые генерируются в результате процесса β-окисления жирных кислот с нечётным числом углеродных атомов:

${\displaystyle {\left[({\frac {n-3}{2}}\cdot 10)+(({\frac {n}{2}}-1,5)\cdot 4)+25-3\right]}}$

где n — количество атомов углерода в молекуле жирной кислоты; 25 — количество АТФ, которое синтезируется при окислении образовавшейся 1 молекулы сукцинил-КоА в цикле Кребса до оксалоацетата С₄ (5 моль) и его последующего полного окисления в ЦТК (2×10 = 20 моль); -3 — количество АТФ, затраченные на активацию жирной кислоты (2 моль), а также на синтез метилмалонил-КоА (1 моль). Рассчитаем количество синтезируемых молекул АТФ при окислении 1 моль нонадекановой кислоты (С₁₉). Воспользуемся формулой: (19-3/2 × 10) + (19/2-1,5 × 4) + 25 - 3 = 134 моль АТФ.

Энергетический расчёт β-окисления для некоторых жирных кислот представлен в виде таблицы.

Во многих тканях окисление

Помимо β-окисления жирных кислот, происходящего в митохондриях существует и внемитохондриальное окисление. Жирные кислоты, имеющие бóльшую длину цепи (от С₂₀), не могут быть окислены в митохондриях из-за наличия плотной двойной мембраны, которая воспрепятствует процессу переноса их через межмембранное пространство. Поэтому окисление длиноцепочечных жирных кислот (С₂₀-С₂₂ и более) происходит в пероксисомах^[12] . В пероксисомах процесс β-окисления жирных кислот протекает в модифицированном виде. Продуктами окисления в данном случае являются ацетил-КоА, октаноил-КоА и пероксид водорода Н₂О₂. Ацетил-КоА образуется на стадии, катализируемой ФАД-зависимой дегидрогеназой. Ферменты пероксисом не атакуют жирные кислоты с короткими цепями, и процесс β-окисления останавливается при образовании октаноил-КоА.

Данный процесс не сопряжён с

• Соотношений
  ЭТЦ и общего пути катаболизма
  ;
• состояния голодания или сытости (то есть соотношения инсулин — глюкагон);
• активности регуляторного фермента карнитин-пальмитоилтрансферазы I (CPTI);
• доступности субстрата — жирных кислот;
• потребности клетки в энергии;
• доступности кислорода[2].

Скорость β-окисления зависит также от активности фермента карнитин-пальмитоилтрансферазы I (CPTI). В печени этот фермент ингибируется малонил-КоА, веществом, образующимся при биосинтезе жирных кислот.

В мышцах карнитин-пальмитоилтрансфераза I (CPTI) также ингибируется малонил-КоА. Хотя

Дефекты карнитиновой транспортной системы проявляются в ферментопатиях и дефицитных состояний карнитина в организме человека.

Дефицитные состояния карнитина

Наиболее распространены дефицитные состояния, связанные с потерей карнитина во время некоторых состояний организма:

• Ацидурия; больные, страдающие органической ацидурией, теряют большое количество карнитина, который выделяется из организма в форме конъюгатов с органическими кислотами;
• при проведении длительного гемодиализа;
• при длительном лечении больных сахарным диабетом препаратами сульфонилмочевины, которые являются ингибиторами фермента карнитин-пальмитоилтрансферазы I (CPTI);
• низкая активность ферментов, катализирующих синтез карнитина;
• врожденные дефекты фермента карнитин-пальмитоилтрансферазы I (CPTI), отвечающего за транспортировку ацилированного карнитина (карнитин-СOR) через мембрану митохондрии^[2].

Признаками и симптомами недостатка карнитина являются приступы гипогликемии, возникающие из-за снижения глюконеогенеза в результате нарушения процесса β-окисления жирных кислот, уменьшение образования кетоновых тел, сопровождающееся повышением содержания свободных жирных кислот (СЖК) в плазме крови, мышечная слабость (миастения), а также накопление липидов^[8].

При дефекте гена карнитин-пальмитоилтрансферазы I — СРТ1 (гораздо реже гена СРТ2) развивается печёночная форма недостаточности фермента, которая приводит к гипогликемии и понижению содержания кетоновых тел в плазме крови. Дефект гена карнитин-пальмитоилтрансферазы II СРТ2 вызывает у взрослых миопатии (периодические мышечные боли, мышечная слабость, подёргивания, миоглобинурия), у новорождённых — фатальную печёночную форму (гипераммониемия, увеличенная активность сывороточных трансаминаз, гепатомегалия, некетотическая гипогликемия, кома). Для недостаточности карнитин-пальмитоилтрансферазы II также характерна кардиомегалия^[8][14].

Генетические нарушения ацил-КоА-дегидрогеназ жирных кислот средней цепи

В митохондриях имеется 3 вида

Миопатическая форма наблюдаются у детей школьного возраста и взрослых. Её основные проявления: непереносимость физической нагрузки (миастения), боли в мышцах (миалгии, рабдомиалгии), рабдомиолиз, изменение цвета мочи вследствие миоглобинурии^[15].

Дикарбоновая ацидурия заболевание, связанное с повышенной экскрецией С₆-С₁₀-дикарбоновых кислот и возникающей на этом фоне

Специфическая болезнь, характеризуется сильнейшей интоксикацией, сопровождающаяся

• незрелых либо сырых плодов
  аки, или блигии вкусной (Blighia sapida), в состав которых входит производное α-аминопропановой кислоты, токсин — гипоглицин
  .
• незрелых плодов личи (Litchi chinensis), в которых также содержится гипоглицин, открытие было сделано в 2017 году в результате массовых отравлений с летальным исходом детей в Индии, которые употребляли незрелые плоды личи натощак.

В результате метаболизма гипоглицин превращается в метиленциклопропанацетил-КоА (мцпа-КоА), который инактивирует ацил-КоА-дегидрогеназу, вследствие чего ингибируется процесс β-окисления^[8]. Помимо этого мцпа-КоА способен блокировать ферменты глюконеогенеза^[19]. В присутствии гипоглицина происходит накопление главным образом бутирил-КоА, который гидролизуется до свободной масляной кислоты (бутирата). Масляная кислота в избытке попадает в кровь, косвенно вызывая гипогликемию^[9].

• Липидный обмен
• Цепь переноса электронов

• Нельсон Д., Кокс М. Основы биохимии Ленинджера. — М.: Бином, 2014. — 636 p. — 1700 экз. — ISBN 978-5-94774-366-1.
• David E. Metzler. Biochemistry: The Chemical Reactions of Living Cells. — 2nd edition. — Academic Press, 2003. — Vol. 2. — 1973 p. — ISBN 978-0-1249-2541-0.