Регуляция синтеза пальмитата.. Энергетический баланс синтеза пальмитата.

Регуляция синтеза пальмитата.

  Регуляциясинтеза пальмитиновой кислотыосуществляется за счет метаболического контроля и гормонально. Основным регуляторным ферментом синтеза является ацетил-КоА-карбоксилаза, активатором которого является цитрат, а ингибитором пальмитоил-КоА. Гормональная регуляция процесса осуществляется глюкагоном, адреналином и инсулином. Первые два гормона, действуя через аденилатциклазную систему, способствуют фосфорилированию ацетил-КоА-карбоксилазы, что делает фермент неактивным. В абсорбтивный период фосфатаза, активированная инсулином дефосфорилирует фермент, восстанавливая его активность. Ещё одним способом, увеличения активности ферментов синтеза пальмитата, является индукция синтеза ацетил-КоА-карбоксилазы и синтазы жирных кислот высокими концентрациями инсулина. Предпосылкой этого является продолжительная диета с высоким содержанием углеводов и низким жиров.

 

Энергетический баланс синтеза пальмитата.

В процессе синтеза пальмитата энергия затрачивается на транспорт ацетил-КоА из митохондрий (АТФ), пируваткарбоксилазной реакции (АТФ), малатдегидрогеназной реакции (НАДН), на синтез малонил-КоА (АТФ) и в двух реакциях каждого этапа (НАДФН) и запасается в реакции катализируемой малик ферментом (НАДФН). Это можно выразить следующим уравнением.

 

n = m/2 + m/2 +m/2∙ 2, 5 + (m/2 – 1) + (m/2 – 1)∙ 5 – m/2∙ 2, 5.

 

Решение этого уравнения приводит к выражению:

 

n = 4m – 6.

 

Где n – количество затраченных эквивалентов АТФ, m – число углеродных атомов синтезируемого соединения.

 

Рис. 19Удлинение цепи жирных кислот

 

Удлинение жирных кислот происходит в эндоплазматическом ретикулуме клеток печени и ряда других тканей. В процессе могут участвовать и другие жирные кислоты. В частности, в головном мозге образуются С₂₀ и С₂₄ жирные кислоты необходимые для синтеза гликолипидов и сфинголипидов. В ткани мозга также образуются С₂₂ и С₂₄ a-гидроксикислоты (лигноцериновая и цереброновая соответственно), с участием оксидаз смешанного типа.

 

УРАВНЕНИЯ РАСЧЕТА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАЛАНСА МЕТАБОЛИЗМА НЕКОТОРЫХ ЛИПИДОВ, КОЭФФИЦИЕНТ ЭФФЕКТИВНОСТИ И СРАВНИТЕЛЬНАЯ БИОЭНЕРГЕТИКА

 

   Эффективность катаболических путей определяется, в частности, количеством энергии запасенной в форме АТФ или соединений которые можно приравнять ей. Как правило, рассчитывается количество эквивалентов АТФ затраченных или полученных в определенном метаболическом пути или совокупности путей, если рассматриваются превращения с участием нескольких метаболических путей. Большинство авторов современных учебников по биохимии предлагают систему подсчета, в которой суммируются (алгебраическая сумма) восстановленные пиридиновые нуклеотиды (НАДН + Н⁺, НАДФН + Н⁺), флавиновые нуклеотиды (ФАДН₂, ФМНН₂) и нуклеозидтрифосфаты (АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ). Коэффициент окислительного фосфорилирования – P/O при поступлении электронов в цепь переноса электронов (ЦПЭ) от НАДН приравнивают 3 или 2, 5, а при поступлении электронов от ФАДН₂ – 2-1, 5. В отечественной литературе придерживаются мнения, что в результате переноса электронов поступивших в дыхательную цепь от пиридиновых нуклеотидов на кислород синтезируется 3 АТФ, а от флавиновых – 2 АТФ. Нуклеозидтрифосфаты приравниваются 1 АТФ (при монофосфатном расщеплении) или 2 АТФ при пирофосфатном расщеплении. В зарубежной учебной литературе последних лет восстановленные пиридиновые нуклеотиды приравнивают 2, 5 АТФ, а флавиновые – 1, 5 АТФ. В дальнейших расчетах биоэнергетики процессов автор придерживается точки мнения зарубежных авторов.

   Для того чтобы рассчитать количество АТФ образуемого в процессе окисления энергосубстрата необходимо сначала написать все реакции. Даже расчет биоэнергетики одного метаболического пути по такому варианту занимает много времени, а если необходимо рассчитать биоэнергетику совокупности путей трудности во много раз возрастают. С целью облегчения таких расчетов предлагаются простые уравнения.  

       

Расчет биоэнергетики полного окисления жирных кислот с четным числом углеродных атомов

 

   Для выведения уравнения используем формулу 1. В менее выраженной форме эта формула имеется у А. Ленинджера[].

 

1. n = m/2∙ 10 + (m/2 – 1)∙ 4 – 2.

 

n – количество запасаемых эквивалентов АТФ.

m – количество углеродных атомов в жирной кислоте.

m/2 – количество молекул ацетил-КоА образуемых в процессе              β -окисления.

10 – количество эквивалентов АТФ образуемых при окислении ацетил-КоА в цикле Кребса (3НАДН + 3Н⁺, 1 ФАДН₂, 1 ГТФ).

(m/2 – 1) – число этапов β -окисления.

4 – количество эквивалентов АТФ запасаемых на каждом этапе (1 НАДН + Н⁺, 1 ФАДН₂).

2 – количество эквивалентов АТФ потраченное на активирование жирной кислоты.

Решение уравнения 1 приводит к выражению 2.

 

2. n = 7m – 6.

        В процессе β -окисления непредельных жирных кислот на этапе окисления участка молекулы с двойной связью не используется ацил-КоА дегидрогеназная реакция, а следовательно не образуется ФАДН₂ (1, 5 эквивалента АТФ). Учитывая этот факт, уравнение 2 для случая расчета биоэнергетики окисления непредельной жирной кислоты с четным числом углеродных атомов преобразуется до следующего выражения

 

3. n = 7m – 1, 5a – 6.

 

n – количество запасаемых молекул АТФ.

m – число углеродных атомов жирной кислоты.

а – количество двойных связей.

    Уравнение 3 универсально для предельных и непредельных жирных кислот с четным числом углеродных атомов, так как если в жирной кислоте отсутствуют двойные связи, то при «a» равном нулю уравнение три преобразится в уравнение 2.

 

Расчет биоэнергетики окисления триацилглицеролов (нейтральных жиров)

 

   Биоэнергетику окисления триацилглицерола можно представить как сумму энергетических балансов окисления трех входящих в него жирных кислот и глицерола, поэтому для расчета биоэнергетики полного окисления триацилглицерола можно воспользоваться уже полученным выражением 3.

 

4. n = [(7m₁ – 6) + (7m₂ – 6) + (7m₃ – 6)] – 1, 5a + 18, 5. Где

 

n – количество запасаемых молекул АТФ.

m₁ – число углеродных атомов остатка жирной кислоты в 1 положении.

m₂ – число углеродных атомов остатка жирной кислоты во 2 положении.

m₃ – число углеродных атомов остатка жирной кислоты в 3 положении.

a – количество двойных связей в жирной кислоте.

18, 5 – количество эквивалентов АТФ образующихся при полном окислении молекулы глицерола (с учетом использо­вания малат-аспартатного челнока).

    Преобразуя полученное уравнение, выводим уравнение 5.

 

5. n = 7(m₁ + m₂ + m₃) – 1, 5a + 0, 5.

 

   Уравнение 5 справедливо для расчета биоэнергетики окисления любого природного триацилглицерола содержащего остатки предельных и непредельных жирных кислот с четным числом углеродных атомов. Если m₁ = m₂ = m₃, то уравнение примет вид

 

1. n = 21m – 1, 5a + 0, 5.

Расчет биоэнергетики полного окисления жирных кислот с нечетным числом углеродных атомов

 

   Первоначальное уравнение для расчета биоэнергетики окисления жирных кислот с нечетным числом углеродных атомов имеет вид

 

7. n = (m – 3)/2∙ 10 + (m – 3)/2∙ 4 + 25 – 2 – 1.

 

n – количество запасаемых молекул АТФ.

m – количество углеродных атомов жирной кислоты.

(m – 3)/2 – количество ацетил-КоА образующихся в процессе β -окисления.

10 – количество эквивалентов АТФ образующихся в цикле Кребса при окислении 1 молекулы ацетил-КоА.

(m – 3)/2 – число этапов β -окисления.

4 – количество эквивалентов АТФ образующихся за 1 этап (1НАДН + Н⁺, 1 ФАДН₂).

25 – количество эквивалентов АТФ образующихся при полном окислении сукцинил-КоА (промежуточный метаболит) за 2, 5 оборота цикла Кребса.

2 – количество эквивалентов АТФ потраченных на активирование жирной кислоты.

1 – количество эквивалентов АТФ потраченных в карбоксилазной реакции.

   Упрощенное уравнение 6 принимает вид

 

8. n = 7m + 1.

  Уравнение 7 справедливо для подсчета биоэнергетики полного окисления жирных кислот с нечетным числом углеродных атомов начиная с m =3.

 

Расчет биоэнергетики синтеза предельной, жирной кислоты с четным числом углеродных атомов

 

   Первоначальное уравнение для расчета биоэнергетики синтеза жирной кислоты с участием синтазного комплекса имеет вид

 

1. n = (m/2 – 1) ∙ 5 + m/2 + (m/2 – 1).

 

n – количество затраченных на синтез эквивалентов АТФ.

m – количество атомов углерода синтезируемой кислоты.

(m/2 – 1) – число этапов синтеза.

5 – количество эквивалентов АТФ затраченных на 1 этап (2 НАДФН + 2 Н⁺).

m/2 – количество эквивалентов АТФ затраченного на транспорт ацетил-КоА в цитозоль.

(m/2 – 1) – количество эквивалентов АТФ затраченного на синтез малонил-КоА.

   Преобразование уравнения 8 дает следующее выражение

 

10. n = 3, 5m – 6.

Полученное уравнение справедливо не только для пальмитиновой кислоты, но и для ряда от С₄ до С₁₆.

 

Расчет биоэнергетики синтеза триацилглицеролов

 

   Исходное уравнение для расчета биоэнергетики синтеза триацилглицеролов имеет вид

 

11. n = (3, 5m₁ – 6) + (3, 5m₂ – 6) + (3, 5m₃ – 6) + 6 + 2, 5.

 

n – количество потраченных на синтез молекул АТФ.

(m₁, m₂, m₃) – количество углеродных атомов трех остатков жирных кислот (соответственно).

(3, 5m – 6) – количество АТФ затраченных на синтез жирной кислоты (уравнение 9).

6 – количество эквивалентов АТФ потраченных на активирование трех остатков жирных кислот.

2, 5 – количество эквивалентов АТФ потраченных на гидрирование диоксиацетонфосфата.

   Преобразуя уравнение 11, получаем следующее уравнение

 

12. n = 3, 5(m₁ + m₂ +m₃) – 9, 5.

 

    Уравнение 12 применимо для расчета биоэнергетики синтеза триацилглицерола при условии, что синтез жирных кислот осуществляется из ацетил-КоА, а остаток глицерола из диоксиацетонфосфата. Если для синтеза используется глицерол, то уравнение 11 примет вид

 

13. n = 3, 5(m₁ + m₂ + m₃) – 11.

   В случае если предельная жирная кислота преобразуется в непредельную, то в уравнения 12 и 13 вводится дополнительный член – (+2, 5а), где «а» - количество образуемых двойных связей и окончательно уравнения 11 и 12 примут вид

 

14. n = 3, 5(m₁ + m₂ + m₃) + 2, 5a – 9, 5

и

                               15. n = 3, 5(m₁ + m₂ + m₃) + 2, 5a – 11.

 

 

Расчет биоэнергетики окисления усредненного триацилглицерола организма человека и сравнение с биоэнергетикой окисления глюкозы

 

   Исходя из того, что в состав триацилглицеролов человека входят, в основном, C₁₆ и C₁₈ предельные и непредельные жирные кислоты, то к усредненной молекуле триацилглицерола может быть отнесен 1 – пальмито – 2 – олео – 3 – стеароглицерид. Подставляя в уравнение n = 7(m₁ + m₂ + m₃) -1, 5a + 0, 5 соответствующие значения и решая его, получаем

 

n = 7(16 + 18 + 18) – 1, 5 ∙ 1 + 0, 5 = 363 эквивалента АТФ.

 

1 моль предложенного к рассмотрению триацилглицерола равен 860 г, следовательно, при его окислении образуется 363 ∙ 7, 3 = 2649, 9 ккал (7, 3 ккал выделяется при гидролизе 1 АТФ по монофосфатному пути).

   При полном окислении моля глюкозы образуется 32 АТФ. Гидролиз 32 АТФ высвободит 32 ∙ 7, 3 = 233, 6 ккал, для чего потребуется 180, 2 г глюкозы (1 моль глюкозы). В пересчете на 1 г окисленного триацилглицерола количество запасенной энергии составит – 3, 08 ккал/г, а для глюкозы – 1, 3 ккал/г.  

   С учетом того, что к. п. д. окислительного фосфорилирования при P/O = 2, 5 составляет 35%, то на 1г окисленного триацилглицерола запасется 8, 8 ккал/г, а на 1 г глюкозы 3, 71 ккал/г. Полученные значения близки к табличным данным 4, 1 ккал/г для глюкозы и 9, 3 ккал/г для окисления триацилглицеролов.

   Менее впечатляюще выглядит разница запасаемых молекул АТФ полного окисления соединений различных классов при одинаковом количестве углеродных атомов. Полное окисление глюкозы (С₆) с использованием реакций аэробного гликолиза, окислительного декарбоксилирования ПВК, цикла Кребса, цепи переноса электронов, окислительного фосфорилирования, приведет к запасанию 32 АТФ (с учетом использования малат-аспартатного челнока), то при полном окислении капроновой кислоты (С₆) через реакции β -окисления, цикла Кребса, цепи переноса электронов и окислительного фосфорилирования образуется 36 АТФ.

 

Уравнения расчета водного баланса катаболизма липидов.

 

   Используя методы математического моделирования, примененные для расчета биоэнергетики катаболизма липидов можно рассчитать и водный баланс этих процессов. Так, для расчета водного баланса полного окисления жирной кислоты с четным числом углеродных атомов можно воспользоваться выражением

 

17. Н₂О_{мет. ЖК} = [(m/2 – 1)∙ 4 + (m/2 – 1)∙ (2) + (m/2 – 1)∙ (-1)] + [m/2∙ 9 + m/2∙ 4 – m/2∙ 2] – a,

 

где Н₂О_{мет. ЖК} – алгебраическая сумма использованной и выделенной в реакциях воды (_мет. – метаболическая); _ЖК – жирная кислота; m – количество углеродных атомов жирной кислоты; (m/2 – 1) – число этапов β - окисления; (m/2 – 1)∙ 4 – количество молекул Н₂О полученных при окислительном фосфорилировании за счет 1НАДН + Н⁺ и 1ФАДН₂ полученных на каждом этапе β -окисления; (m/2 – 1)∙ (2) – количество молекул Н₂О полученных за счет электронов и протонов от 1НАДН + Н⁺ и 1ФАДН₂ полученных на этапе β -окисления поступивших в ЦПЭ; (m/2 – 1)∙ (-1)– количество молекул воды используемых на каждом этапе β -окисления в еноил-КоА-гидратазной реакции; [(m/2 – 1)∙ 4 + (m/2 – 1)∙ (2) + (m/2 – 1)∙ (-1)] – баланс воды за счет этапов β -окисления; (m/2∙ 9) – количество молекул воды, полученных за счет 3НАДН + 3Н⁺ и 1ФАДН₂ из ацетил-КоА в цикле Кребса (окислительное фосфорилирование); m/2∙ 4 – количество молекул воды полученных в ЦПЭ за счет 3НАДН + 3Н⁺ и 1ФАДН₂; m/2∙ 2 – количество молекул воды затраченных в цикле Кребса; a - количество двойных связей в жирной кислоте; [m/2∙ 9 + m/2∙ 4 – m/2∙ 2] – количество молекул Н₂О образующихся за счет ацетил-КоА.

   Преобразование приведенного выше уравнения приводит к выражению

 

18. Н₂О_{мет. ЖК} = 8m – a – 5.

 

Если коэффициент окислительного фосфорилирования принять за 3 для НАДН + Н⁺ и 2 для ФАДН₂ то выражение 18 примет вид

 

19. Н₂О_{мет. ЖК} = 9, 5m – a – 6.

 

Используя уравнение 19, рассчитываем Н₂О_{мет. ЖК} для пальмитиновой кислоты.

 

Н₂О_{мет. ЖК} = 9, 5∙ 16 – 0 – 6 = 152 – 6 = 146.

 

Такое же количество воды в случае окисления пальмитата получается у  А. Ленинджера (1985), но без использования предлагаемого уравнения.

 

 

   Используя полученное выражение 18 за основу можно рассчитать энергетический баланс полного окисления триацилглицерола (ТГ) по уравнению

 

20. Н₂О_{мет. ТГ} = (8m₁ – a₁ – 5) + (8m₂ – a₂ – 5) + (8m₃ – a₃ – 5) – 3 + 20, 5.

 

Где m₁ – количество углеродных атомов 1 жирной кислоты; m₂ – количество углеродных атомов 2 жирной кислоты; m₃ – количество углеродных атомов 3 жирной кислоты; (-3) – количество молекул воды использованных для гидролиза триацилглицерола; (a₁, а₂ и а₃) – количество двойных связей в жирнокислотных остатках; 20, 5 – количество молекул Н₂О образующихся при окислении 1 молекулы глицерола.

Решение представленного уравнения приводит к выражению

 

21. Н₂О_{мет. ТГ} = 8(m₁ + m₂ + m₃) – (a₁ + a₂ + a₃) + 2, 5.

 

  Подставляя в полученное уравнение соответствующие цифры, рассчитываем водный баланс окисления 1-пальмито-2-олео-3-стеароглицерида.

 

Н₂О_{мет. ТГ} = 8(16 + 18 + 18) – (0 + 1 + 0) + 2, 5 = 417, 5.

 

1 Моль представленного триацилглицерола равен 860 г, а его окисление дает 417, 5∙ 18 = 7515 г воды. При перерасчете на 100 г окисленного триацилглицерола образуется 873, 84 г эндогенной воды или 8, 73 г воды на 1 г окисленного жира, что в разы отличается от справочных данных (1, 07 мл – справочник по диетологии под ред. М. А. Самсонова и А. А. Покровского, 1993).

   Суммарное количество эндогенно образуемой воды может быть рассчитано исходя из рекомендуемой диетологами суточного потребления калорий – 2500 ккал и соотношения углеводов, белков и жиров в суточном рационе как 3: 1: 1 или (300, 100 и 100 г соответственно). Углеводы (1 моль глюкозы) при полном окислении дают 42 моль воды, что соответствует 42∙ 18 = 756 г на моль глюкозы (180, 2 г) или 1258 г воды на 300 г глюкозы. Образование воды при окислении белка приблизительно соответствует таковому для углеводов. Следовательно, 100 г белка дадут при окислении 420 г воды. Суммарное количество эндогенной воды, образующееся из предложенной выше диеты, составит приблизительно 2, 5 л в сутки.

   Представленные выше балансовые уравнения для расчета метаболической воды не отражают способы её образования. Имеется в виду то, что часть воды образуется в реакциях дегидратации одного или двух субстратов, а другая часть в реакциях прямого переноса электронов и протонов на молекулярный кислород. Для расчета воды образующейся вторым способом используется следующее уравнение

 

22. Н₂О_{ЦПЭ (ЖК)} = m/2∙ 4 + (m/2 – 1)∙ 2 – a.

 

Где (Н₂О_{ЦПЭ (ЖК)}) – вода, образующаяся при полном окислении жирной кислоты с четным числом углеродных атомов в цепи переноса электронов; m/2 – количество ацетил-КоА; 4 – количество молекул воды образующихся в ЦПЭ при поступлении 3НАДН + 3Н⁺  и ФАДН₂ из цикла Кребса при окислении ацетил-КоА; (m/2 – 1) – число этапов β -окисления; 2 – количество молекул воды образующихся в ЦПЭ за счет НАДН + Н⁺ и ФАДН₂ образующихся на каждом этапе β -окисления; a – количество двойных связей в жирной кислоте. Уравнение 21 упрощается до выражения

 

23. Н₂О_{ЦПЭ (ЖК)} = 3m – a – 2.

 

   Для вычисления воды полученной в ЦПЭ при полном окислении триацилглицерола можно воспользоваться выражением

 

24. Н₂О_{ЦПЭ (ТГ)} = (3m₁ – a₁ – 2) + (3m₂ – a₂ – 2) + (3m₃ – a₃ – 2) + 7.

 

Преобразование уравнения 23 приводит к выражению

 

25. Н₂О_{ЦПЭ (ТГ)} = 3(m₁ + m₂ + m₃) – (a₁ + a₂ + a₃) + 1.

 

Используя уравнение 25, рассчитаем Н₂О_{ЦПЭ (ТГ)} для 1-пальмито-2-олео-3-стеароглицерида

 

Н₂О_{ЦПЭ (ТГ)} = 3(16 + 18 + 18) – (0 + 1 + 0) + 1 = 156.

 

Полученное количество воды составит около 38 % от всей метаболической воды полученной при полном окислении представленного выше триацилглицерола.

   Электроны, поступающие в ЦПЭ от восстановленных коферментов, перемещаясь через цепь переносчиков, отдают часть своей энергии на создание трансмембранного электрохимического потенциала, транслокацию АТФ, АДФ и фосфата через митохондриальную мембрану и на тепло. Логично предположить, что вода, образованная с участием таких электронов должна отличаться от экзогенной и полученной в реакциях дегидратации. Предположительно, такая вода должна быть метаболически неактивной, а, следовательно, удаляться из организма в первую очередь. С другой стороны, эта вода могла бы принимать участие в регуляции клеточного метаболизма.

 

       

Уравнения расчета кислородного баланса метаболизма липидов

 

   Начальное уравнение кислородного баланса окисления жирной кислоты с четным числом углеродных атомов имеет вид

 

26. О_мет. = [m/2∙ (-4) + (m/2 – 1)∙ (-2) + a].

 

Где (m) – число углеродных атомов; m/2 – количество молекул ацетил-КоА; (-4) – количество атомов кислорода затраченных в ЦПЭ на связывание электронов поступающих с восстановленными коферментами из цикла Кребса; (m/2 – 1) – количество этапов β -окисления; (-2) – количество атомов кислорода затраченных в ЦПЭ на связывание электронов поступающих с восстановленными эквивалентами с каждого этапа β -окисления; a – количество двойных связей в жирной кислоте.

Преобразуя предложенное уравнение, мы получаем следующее выражение

 

27. О_{мет. ЖК} = -3m + a + 2.

 

Решая полученное уравнение для пальмитиновой кислоты (C₁₆) получаем

 

 

О_{мет. ЖК} = -3∙ 16 + 1∙ 0 + 2 = 46.

 

Используя уравнение 27 можно написать уравнение кислородного баланса окисления триацилглицерола

 

27. О_{мет. ТГ} = (-3m₁ + a₁ + 2) + (-3m₂ + a₂ + 2) + (-3m₃ + a₃ + 2) - 7.

 

Решая, уравнения 27 получаем

 

28. О_мет. = -3(m₁ + m₂ + m₃) + (a₁ + a₂ + а₃) - 1.

 

   Уравнение 28 справедливо для расчета кислородного баланса окисления любого природного триацилглицерола.

 

 

ПАТОЛОГИЯ ЛИПИДНОГО ОБМЕНА.

 

Метаболизм липидов – очень сложный механизм, от которого зависят жизненно важные процессы в организме человека. Нарушения липидного обмена возникают на всех его этапах, начиная с переваривания и всасывания.

Основные звенья в обмене липидов и их нарушения:

1. Нарушение всасывания липидов в кишечнике.

2. Транспорт поступающего в кровь липидов и поступление в ткани. Транспорт жира требует особых условий, т. к. жир нерастворим в воде.

3. Обмен в жировой ткани, где совершается липогенез, а также липолиз. Соответствие липогенеза и липолиза является самостоятельным звеном в жировом обмене. Патология этого этапа обмена может происходить в форме преобладания липолиза (исхудание) или избыточного отложения жира - липогенеза (общее ожирение).

4. Избыточное накопление жира в паренхиматозных органах – жировая инфильтрация и дистрофия печени.

5. Нарушение межуточного жирового обмена (обмен жирных кислот).

 

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: