Окисление насыщенных жирных кислот.

Насыщенные жирные кислоты (НЖК) – углеродные цепи, у которых число атомов варьируется от 4 до 30 и больше. Насыщенные (предельные). Это жирные кислоты, молекулы которых пресыщены водородом. Они поступают в организм с колбасными изделиями, молочными, мясными продуктами, маслом, яйцами. Они участвуют в строении клеток, насыщают организм энергией.

Окислительное расщепление жирних кислот- универсальный биохимический процесс, протекающий во всех видах живих организмах. У млекопитающих этот процесс происходит во многих тканях, в первую очередь в печени, почках, сердечной и скелетной мышцах. В клетке окисление жирных кислот локализовано в матриксе митохондрий.

Первые предположения о путях окисления жирных кислот высказал Ф.Кнооп еще в 1904 г., выдвинув свою гипотезу «-окисления», в соответствии с которой происходит последовательное отщепление двухуглеродных фрагментов CH3COOH с карбоксильного конца молекулы.Этот процесс был назван -окислением, поскольку каждый раз перед разрывом происходит окисление -углеродного атома по схеме:

Природные жирные кислоты содержат четное число углеродных атомов, и любая такая кислота, отщепляя по паре углеродных атомов, в конце превращается в бутановую кислоту, которая после очередной (заключительной) стадии -окисления гидролизуется до двух молекул уксусной кислоты .В настоящее время биохимические превращения жирных кислот в процессе -окисления детально изучены. Они включают следующие основные этапы :

• активацию жирной кислоты в цитоплазме клетки;
• транспорт ацильной группы в митохондрии;
• последовательность реакции -окисления;
• энергетику окисления жирных кислот.

Активация жирной кислоты в цитоплазме клетки .

Реакция окисления жирной кислоты происходит только после превращения ее в активированную высокоэнергетическую форму- ацил-КоА. Этот процесс требует  затраты одной молекулы АТФ, присутствия коэнзима А ионов Mg+2 ; катализирует превращение свободной жирной кислоты в активируемую форму –фермент ацил-КоА- синтетаза.В нижеприведенных реакциях он обозначен как Е* .Известен ряд тиокиназ, специфичных к жирным кислотам с разной длиной водородной цепи. Эти ферменты в клетках прокариот прикреплены к клеточной мембране , а у эукариот – к внешней мембране митохондрий.

Активизация жирной кислоты является двухстадийным процессом.

Первая стадия:

Вторая стадия:

При действии фермента пирофосфатазы в пирофосфате расщепляется багатая энергией фосфоангидридная связь , что обеспечивает процесс активации и делает эту реакцию необратимой :

H4P2O2        пирофосфатаза           2H3PO4

Таким образом, для активации одной молекулы жирной кислоты расходуется две макроэргические связи АТФ.

Транспорт ацильной группы в митохондрии.

Внутрення мембрана митохондрии непроницаема для ацил-КоА, образовавшегося в цитоплазме. Переносчиком активированной жирной кислоты является карнитин. Это широко распространенное соединение, особенно много его в мышечной ткани.В транспорте ацил-КоА принимает участие фермент – карнетинацилтрансфераза и транспортный белок. Ацил-КоА, соединяясь с карнитином при действии карнитинацилтрансферазы образует ацилкарнитин , который при участии транслоказы проникает внутрь митохондрии

При этом карнитин возвращается в цитоплазму клетки , а ацил-КоА подвергается в митохондриях окислению. Следует отметить, что карнитин- ацилтрансфераза является основным регуляторным ферментом процесса окисления жирных кислот. Ингибитором этого фермента является исходный интермедиат синтеза жирных кислот- малонил-КоА.Таким образом, если активируется липогенез , увеличивается концентрация малонил-КоА, который ингибирует карнетин-ацил-КоА-трансферазу и выключает -окисление.

Последовательность реакции -окисления ацил-КоА в матриксе митохондрий.

Окисление ацил-КоА, в результате которого происходит отщепление двух углеродного фрагмента  и окисления -углеродного атома кислоты , катилизируется 4 ферментами , известными под общим названием аксидазы жирных ксилот. Эта система локализована в матриксе митохондрий в непосредственной близости от дыхательной цепи, интегрированной во внутреннюю мембрану митохондрий. Таким образом, окисление ацил-КоА до ацетил-КоА, в процессе которого происходит восстановление НАД+ и ФАД, сопряжено синтезом АТФ путем окислительного фосфолирования.

1.Реакция дегидрирования, катализируемая ФАД- зависимой ацил-КоА дегидрогеназой, приводит к образованию  ,- ненасыщенного ацил-SКоА. Фермент обладает стериоспецифичностью, поэтому в результате этой реакции образуется только транс-изомер

2.Во второй реакции происходит гидратация ненасыщенного транс-еноил-КоА при действии фермента еноил-КоА-гидратазы. В результате образуется L--гидроксиацил-КоА:

3.Реакция дегидрирования , в процессе которой образовавшийся -гидроксиацил-КоА дегидрируется в -положение .Эту реакцию катализирует НАД –зависимая -гидроксиацил-КоА-дегидрогеназа:

В заключительной реакции тиолитического расщепления -кетоацил-КоА с помощью еще одной молекулы коензима А образуется укороченный на два углеродных атома ацил-КоА и двухуглеродный фрагмент в виде ацетил-КоА.Реакция катализируется ацетил-КоА-ацилтрансферазой:

КоА.Реакция катализируется ацетил-КоА-ацилтрансферазой:

Образующийся укороченый ацил-КоА вновь вступает в следующий цикл -окисления, начиная с первой реакции дегидрирования, и происходит повторное превращение этого ацил-КоА в цикле, состоящим из 4 реакций, и т.д.Такой процесс -окисления протекает до образования 4-х углеродного соединения – ацетоацетил-КоА.Последння реакция тиолитического расщепления этого соединения приводит к образованию двух молекул ацетил-КоА и тем самым завершает в целом распад жирной кислоты по механизму -окисления:

Как отмечалось ранее , молекулы ацетил-КоА, образовавшиеся из жирной кислоты, подвергаются полному окислению до СО2 и Н2О в цикле трикарбоновых кислот.

Катаболизм безазотистых остатков аминокислот.Синтез аминокислот.

В ходе катаболизма аминокислот происходит отщепление аминогруппы и выделение аммиака. Другим продуктом дезаминирования аминокислот служит их безазотистый остаток в виде α-кетокислот. Катаболизм аминокислот происходит практически постоянно. За сутки в норме в организме человека распадается примерно 100 г аминокислот, и такое же количество должно поступать в составе белков пищи.

Большая часть безазотистых остатков аминокислот превращается в пируват либо непосредственно (Ала, Сер), либо в результате более сложного пути, превращаясь вначале в один из метаболитов ЦТК. Затем в реакциях цитратного цикла происходит образование оксалоацетата, который превращается в фосфоенолпируват. Из фосфоенолпирувата под действием пируваткиназы образуется пируват. Пируват подвергается окислительному декарбоксилированию и превращается в ацетил-КоА, который окисляется в ЦТК до СО2и Н2О с выделением энергии. Такой путь проходят преимущественно аминокислоты пищи.

При недостатке глюкозы в организме фосфоенолпируват включается в глюконеогенез .Это происходит при голодании, длительной физической работу при сахарном диабете и других тяжёлых хронических заболеваниях, сопровождающихся распадом собственных белков организма. Скорость глюконеогенеза из аминокислот регулируется гормонами. Так, под действием глюкагона увеличивается активность регуляторных ферментов процесса, а кортизол индуцирует синтез ферментов глюконеогенеза в печени. Активация глюконеогенеза из аминокислот происходит и при преимущественно белковом питании.

Гликогенные и кетонные аминокислоты

Катаболизм всех аминокислот сводится к образованию шести веществ, вступающих в общий путь катаболизма: пируват, ацетил-КоА, α-кетоглутарат, сукцинил-КоА, фумарат, оксалоацетат

Аминокислоты, которые превращаются в пируват и промежуточные продукты ЦТК (α-КГ, сукцинил-КоА, фумарат) и образуют в конечном итоге оксалоацетат, могут использоваться в

процессе глюконеогенеза. Такие аминокислоты относят к группе гликогенных аминокислот.

Некоторые аминокислоты в процессе катаболизма превращаются в ацетоацетат (Лиз, Лей) или ацетил-КоА (Лей) и могут использоваться в синтезе кетоновых тел. Такие аминокислоты называют кетогенными.

Ряд аминокислот используется и для синтеза глюкозы, и для синтеза кетоновых тел, так как в процессе их катаболизма образуются 2 продукта - определённый метаболит цитратного цикла и ацетоацетат (Три, Фен, Тир) или ацетил-КоА (Иле). Такие аминокислоты называют смешанными, или гликокетогенными

Таблица 9-5. Классификация аминокислот по судьбе безазотистого остатка

 Анаплеротические реакции

Безазотистые остатки аминокислот используются для восполнения того количества метаболитов общего пути катаболизма, которое затрачивается на синтез биологически активных веществ. Такие реакции называют анаплеротическими. На рисунке 9-22 выделены пять анаплеротических реакций:

1. 

Фермент пируваткарбоксилаза (кофермент - биотин), катализирующий эту реакцию, обнаружен в печени и мышцах.

2. Аминокислоты → Глутамат → α-Кетоглутарат

Превращение происходит во многих тканях под действием глутаматдегидрогеназы или аминотрансфераз.

3. 

Пропионил-КоА, а затем и сукцинил-КоА могут образоваться также при распаде высших жирных кислот с нечётным числом атомов углерода (см. раздел 8).

4. Аминокислоты → Фумарат

5. Аминокислоты → Оксалоацетат

Реакции 2, 3 происходят во всех тканях (кроме печени и мышц), где отсутствует пируваткарбоксилаза, а реакции 4 и 5 - в основном в печени. Реакции 1 и 3 - основные анаплеротические реакции.

Синтез аминокислот.

Получение аминокислот в промышленных условиях осуществляется посредством химического или микробиологического синтеза.

Химический синтез.

Химический синтез поливариантен, однако во всех случаях связен с получением рацемических смесей, которые затем необходимо разделять на оптически активные стериоизомеры. Синтез, предложенный в 20 в. А.Штреккером , основан на реакции альдегида R-CHO с цианидом калия и мочевиной. Полученная циклическая производная аминокислоты гидролизуется щелочью с образованием рацемической смеси D, L – аминокислоты. В качестве примера можно привести получение L-метионина из -метилтиопропионового альдегида, который, в свою очередь, синтезируется из акролеина и метилмеркаптана:

Так как в пищевой промышленности и медицине применяют только L- изомеры аминокислот, рацемические смеси необходимо разделять на отдельные энантиомеры.Для этой цели используют различные хроматографические методы, в том числе и основанные на ионном обмене. Химические методы разделения , связанные с взаимодействием рацематов с определенными асимметрическими соединениями, достаточно сложны и не находят применения в промышленных условиях. Гораздо более эффективным является ферментативный метод разделения рацематов аминокислот, в первые разработанный и использованный японскими исследователями.В основу метода положена способность фермента ацилазы L- аминокислот специфически гидролизировать только ацилированные L- аминокислоты без воздействия на D-стериоизомеры.Ацелированные аминокислоты, полученные методом химического синтеза подвергаются воздействию иммобилизированного фермента ацилазы, при чем после полного ферментативного гидролиза образуется смесь ацилированной D-аминокислоты и свободного L-стериоизомера, легко разделяющиеся простой кристаллизации или посредством ионообменной хроматографии.

Если оставшуюся ацил- D-аминокислоту подвергнуть нагреванию то можно снова получить рацемическую смесь , из которой затем извлекается свободная  L-аминокислота.

Таким образом, при использовании иммобилизованной аминоацилазы можно данный процесс проводить многократно и получать свободные L-аминокислоты с максимальным выходом.Оказалось что сродство фермента к ацилированным аминокислотам примерно одинаково и определяется не строением аминокислоты как таковой , а исключительно ацильной группировкой.Иммобилизованная на смоле аминоацелаза достаточно стабильна; период ее полуинактивации в промышленных условиях находится в пределах двух месяцев.

Ферментативный синтез.

В результате ферментативного синтеза образуется в основном L-аминокислоты. Примером может служить широко распространенный в промышленности синтез L-аспарагиновой кислоты из фумаровой кислоты  и аммиака под действием фермента аспартазы:

Одним из существенных преимуществ данного процесса, имеющего большое значение для промышленного производства, является то, что он протекает в одну стадию и обеспечивает получение только L-стериоизомеров аспарагиновой аминокислоты.

Получение L-фенилаланина из коричной кислоты и аммиака осуществляется при помощи фермента фенилаланин-аммиак-леазы также в одну стадию:

          Микробиологический синтез

Многие микроорганизмы синтезируют свободные аминокислоты , имеющие промышленное значение. Пути биосинтеза отдельных аминокислот получили свое развитие в результате внедрения в практику ауксотрофных мутантов и применения радиоизотопных методов.

Используют мутанты микроорганизмов , которые утратили некоторые ферменты синтеза одних аминокислот; но приобрели способность интенсивно синтезировать другие. Ауксотрофные мутанты отбирают на селективных средах после воздействия на бактериальные клетки  ультрафиолетовым или рентгеновским излучением или за счет химического мутагенеза.

Одной из первых аминокислот , полученных из коринебактерий методом  микробиологического синтеза в промышленных условиях, была L-глутаминовая аминокислота . Усиление синтеза этой аминокислоты подавляет ее дальнейшее образование по принципу обратной связи, поэтому целесообразно в питательную среду вводить поверхностно-активные вещества и жирные кислоты для увеличения проницаемости клеточных мембран и елиминации глутаминовой кислоты из клетки.

Из коринебактерий можно получать также ароматические аминокислоты, например триптофан.