Теория бэтто-окисления жирных кислот

В начале нашего столетия Кнооп провел исследования по изучению пути окисления жирных кислот в организме собак, результаты которых легли в основу теории (3-окис.ления жирных кислот. Эта теория получила широкое признание и была подтверждена исследованиями последних десятилетий.

Для изучения превращения жирных кислот в организме Кнооп пользовался ш-фенилзамещенными жирными кислотами. Молекула жирной кислоты метилась путем введения в нее фенильного остатка и благодаря этому становилась более доступной для изучения ее превращения в организме. Кнооп в своих исследованиях пользовался синтетическими со-фенилзамещен-ными жирных кислот с углеродной цепью различной длины (не больше С,). Жирные кислоты, входящие в состав жиров, имеют значительно более длинные цепи атомов углерода. Следовательно, Кнооп, по сути дела, изучал превращение со-фенилзамещенных низкомолекулярных жирных кислот. со-Фенилзамещенные жирные кислоты вводились в организм животных, а затем в моче этих животных изучались продукты их превращения.

Для оценки результатов исследований полезно остановиться на данных, полученных во второй половине XIX века по изучению превращений бензойной и фенилуксусной кислот, введенных в организм млекопитающих животных. Обе эти кислоты обладают некоторой токсичностью и в организме подвергаются обезвреживанию путем связывания с глицином. Продукты связывания — гиппуровая и фенацетуровая кислоты — выделяются из организма с мочою

При введении в организм животных со-фенилзамещенных жирных кислот с углеродной цепочкой различной длины оказалось, что только определенные из них стимулируют выделение с мочой гиппуровой кислоты. Так, при введении со-фенилвалерьяновой кислоты (С^Н.СН/ЗН^СН^СН/ЮОН) наблюдалось выделение из организма гиппуровой кислоты. ш-Фенилмасля-ная кислота (С6Н5СН2СН2СН2СООН) оказалась в этом смысле неэффективной, ю-фенилпропионовая кислота (С6Н5СН2СН2СН2СН2СООН) — эффективной, фенилуксусная кислота (С6Н5СН2СН2СООН) — неэффективной. Исходя из приведенных данных, Кнооп пришел к выводу, что жирные кислоты в организме подвергаются превращениям, в результате которых углеводная цепь их последовательно укорачивается на два атома углерода. Окислению (дегидрированию) в этом случае подвергается радикал СН2, находящийся в (3-положении по отношению к карбоксилу. В результате от углеродной цепи жирной кислоты отщепляется С2-фрагмент, который рассматривался как уксусная кислота. Представление о процессе -окисления жирных кислот дает следующая схема:

Образовавшаяся молекула жирной кислоты RСН2СООН снова подвергается окислению.

Процесс -окисления жирных кислот предусматривает последовательное их окисление с образованием Са-фрагментов (уксусной кислоты). Количество образующихся молекул уксусной кислоты зависит от длины углеродной цепи жирной кислоты, подвергшейся окислению. Для стеариновой кислоты (С17Н35СООН) оно будет равняться девяти , для пальмитиновой

15Н31СООН) — восьми и т. д. Интересно указать, что для всех природных жирных кислот обычно характерно наличие в их молекулах четного числа атомов углерода. Следовательно, в результате процесса р-окисления каждая из них должна дать то или иное количество молекул уксусной кислоты.

Так как естественные жирные кислоты содержат в своих молекулах четное число атомов углерода, то все они на определенном этапе своего превращения должны дать начало образованию С4-жирной кислоты — масляной кислоты. Последняя, следовательно, должна явиться промежуточным продуктом окисления высокомолекулярных жирных кислот. В свою очередь, масляная кислота подвергается также р-окислению.

При окислении масляной кислоты последовательно образуются кро-тоновая, -оксимасляная, ацетоуксусная и уксусная кислоты. Каждая молекула высокомолекулярной жирной кислоты на определенном этапе своего распада должна дать начало образованию одной молекулы ацето-уксусной кислоты.

Ацетоуксусная кислота может образоваться путем синтеза из двух молекул уксусной кислоты, она же может быть и промежуточным продуктом -окисления масляной кислоты

При критическом подходе к оценке результатов исследований Кноопа обращают на себя внимание два следующих момента: 1) Кнооп пользовался в своих исследованиях со-фенилзамещенными жирными кислотами; естественно возникает вопрос, происходит ли их превращение в организме подобно превращению жирных кислот, образующихся при гидролизе жиров 2) Кнооп изучал превращение ю-фенилзамещенных низкомолекулярных жирных кислот; возникает вопрос, можно ли результаты исследований, полученные при изучении превращений низкомолекулярных жирных кислот, переносить без соответствующей проверки на высокомолекулярные жирные кислоты? Понятно поэтому, что исследования Кноопа, несмотря на их большую ценность, не разъяснили окончательно процесс распада высокомолекулярных жирных кислот в организме животных. Необходимы были дальнейшие исследования.

В 1908 г. Эмбден и Маркс изучали процесс распада жирных кислот, пользуясь изолированной печенью. В опытах с пропусканием через изолированную печень питательной жидкости с прибавлением к ней различных жирных кислот они наблюдали появления в оттекающей от печени жидкости ацетоуксусной кислоты. Результаты их исследований приводятся ниже, появление в оттекающей от печени питательной жидкости ацетоуксусной кислоты обозначено плюсом, а отсутствие ее — минусом.

Са3(СН2)2СООН (масляная кислота) +

СН3(СН2)3СООН (валерьяновая кислота)+

СНз(СН2)4СООН (капроновая кислота) +

СН3(СН2)6СООН (гептановая кислота) +

СН3(СН2)6СООН (октановая кислота) +

СН3(СН2)7СООН (нонановая кислота) +

СН3(СН2)8СООН (декановая кислота) +

СНз(СН2)9СООН (ундекановая кислота) +

СН3(СН2)10СООН (лауриновая кислота) +

Таким образом, ацетоуксусная кислота появлялась в оттекающей питательной жидкости в тех случаях, когда через печень пропускали жирные кислоты с четным числом атомов углерода в их молекулах.

Результаты этих исследований оценивались как доказательство в пользу бэтто-окисления жирных кислот. Считали , что в случае (бэтто-окисления жирных кислот с четным числом атомов углерода на определенном этапе должна появиться ацетоуксусная кислота. В случае же окисления жирных кислот с нечетным числом атомов углерода, ацетоуксусная кислота как промежуточный продукт не должна появляться, так как окисление их должно на последнем этапе привести к образованию С3-кислоты — пропионовой (СН3-СН2СООН).

Вскоре после исследований Эмбдена и Маркса было установлено, что при пропускании через изолированную печень питательной жидкости с прибавлением к ней уксусной кислоты в оттекающей жидкости появляется ацетоуксусная кислота, следовательно, в печени ацетоуксусная кислота синтезируется из уксусной кислоты. Это обстоятельство в известной мере снижает убедительность выводов, вытекающих из исследований Эмбдена и Маркса. Ведь какая бы жирная кислота не подвергалась бэтто-окислению, из нее должны образоваться молекулы уксусной кислоты. В этом отношении поведение жирных кислот с четным и нечетным числом атомов углерода в молекулах должно быть одинаковым. В действительности же этого не наблюдается.

Если результаты исследований с жирными кислотами с четным числом атомов углерода подтверждают существование процесса р-окисления жирных кислот, то отрицательные результаты, полученные для жирных кислот с нечетным числом атомов углерода, требуют объяснения.

Исследования, проведенные в более позднее время по изучению окисления синтетических жирных кислот с нечетным числом атомов углерода, показали, что они окисляются в тканях организма медленнее, чем жирные кислоты с четным числом атомов углерода. По-видимому, по этой причине не наблюдалось образования в количестве, доступном для определения ацетоуксусной кислоты из жирных кислот с нечетным числом атомов углерода при пропускании их через печень.

Дальнейшее изучение окисления жирных кислот проводилось с применением срезов печени, мелко измельченной ткани печени (гомогенатов печени) и метода меченых молекул.

Все это позволило ближе подойти к познанию пути превращения жирных кислот в организме.

В 1935 г. на основании изучения окисления жирных кислот в срезах печени и образования при этом ацетоуксусной кислоты Джоветт и Квостл выдвинули гипотезу так называемого многократно перемежающегося окисления жирных кислот. Эти авторы на основании результатов, полученных ими при исследовании интенсивности образования ацетоуксусной кислоты при окислении в срезах печени различных по длине углеродной цепи жирных кислот, пришли к заключению, что ацетоуксусная кислота является единственной кетокислотой, возникающей в значительных количествах при окислении жирных кислот. Из каждой молекулы, подвергшейся окислению жирной кислоты, при этом образуется не одна молекула ацетоуксусной кислоты, а несколько. Такое интенсивное образование ацетоуксусной кислоты в срезах печени потребовало внесения изменений в схему |3-окисле-ния жирных кислот.

Еще до исследований Джоветта и Квостла при изучении выделения ацетоновых веществ из организма людей, больных сахарным диабетом , было обращено внимание на то, что при тяжелых формах диабета выделение ацетоновых веществ с мочой настолько велико, что объяснить это образованием из каждой молекулы жирной кислоты только лишь одной молекулы ацетоуксусной кислоты не представляется возможным.

310

Гипотеза многократно перемежающегося окисления жирных кислот предусматривает окисление, идущее по всей углеродной цепи, подвергающейся окислению жирной кислоты. В результате этого окисления появляются карбонильные группы, чередующиеся через один атом углерода (СгЬ), а жирная кислота превращается в жирную поликетокислоту.

СН3-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СООН -СНз-СО-СН2СО-СН2-СО-СН2-СО-СН2-СО-СН2-СООН —— ЗСН3СО-СН2СООН

Гипотеза многократно перемежающегося окисления жирных кислот предусматривает образование из каждой молекулы высокомолекулярной кислоты нескольких молекул ацетоуксусной кислоты. Так, например, окислительный распад молекулы пальмитиновой кислоты должен привести к образованию четырех молекул ацетоуксусной кислоты (С16 : 4=4С4). Окислительный же распад каждой молекулы стеариновой или же олеиновой кислоты должен привести к образованию четырех молекул ацетоуксусной кислоты и одной молекулы уксусной кислоты (С18 : 4=4С4+1С2). Гипотеза многократно-перемежающегося окисления жирных кислот не предусматривает возможности образования ацетоуксусной кислоты за счет конденсации молекул уксусной кислоты, и в этом сказалась ее несостоятельность.

Первым серьезным возражением против этой гипотезы явились результаты исследований, полученные при изучении в срезах печени окисления капроновой кислоты (С6). Оказалось, что при окислительном распаде этой кислоты в срезах печени образуется на каждую молекулу больше одной молекулы ацетоуксусной кислоты. Согласно же гипотезе многократно-перемежающегося окисления, следовало бы ожидать образования на каждую молекулу подвергшейся окислению капроновой кислоты не больше одной молекулы ацетоуксусной кислоты (С6 : 4=1С4+1С2).

Дальнейшее изучение окисления жирных кислот в срезах печени с применением меченых молекул, проведенное Вейнхаузом, полностью опровергло представление о многократно перемежающемся окислении жирных кислот. На результатах этого изучения интересно остановиться более подробно.

Опыты проводились с октановой кислотой, меченной в карбоксиле тяжелым изотопом углерода—С13. При окислении этой кислоты в срезах шло образование ацетоуксусной кислоты , в молекулах которой тяжелый углерод был равномерно распределен между карбоксильной и карбонильной группами. Это с несомненностью показывает, что ацетоуксусная кислота образуется в результате конденсации молекул уксусной кислоты, появляющихся при окислении октановой кислоты. Если бы образование ацетоуксусной кислоты шло бы по пути многократно перемежающегося окисления, то тяжелый углерод оказался бы только в карбоксильной группе одной из двух молекул образовавшейся ацетоуксусной кислоты.

СН3-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН213ООН -” СН3СО-СН2-СО СН2СО-СН2С13ООН — СН3СОСН2СООН + СН3СО-СН2С13ООН.

Так как С13 оказывается равномерно распределенным между карбоксильной и карбонильной группами, то следует считать, что при окислении октановой кислоты образуется уксусная кислота, молекулы которой подвергаются конденсации с появлением ацетоуксусной кислоты.

СН3 • СН2 • СН2 • СН2 • СН2 • СН2 • СН2С13ООН -” СН3С13ООН + СН3СООН + СН3СООН + СН3СООН.

Вся образовавшаяся ускусная кислота оказывается меченой только в карбоксиле. Понятно, что концентрация меток в карбоксильной группе

311

молекул уксусной кислоты будет в четыре раза ниже, чем в карбоксильной группе молекул октановой кислоты. Затем, при конденсации молекул уксусной кислоты тяжелый углерод окажется равномерно распределенным между карбоксильной и карбонильной группами образовавшейся ацетоуксусной кислоты.

Применение меченых молекул позволило разобраться еще в одном вопросе. В течение долгого времени считали, что появление ацетоуксусной кислоты связано с ее образованием на определенном этапе окислительного распада высокомолекулярных жирных кислот. Предполагалось, что ацето-уксусная кислота накапливается в организме, если по какой-либо причине ее распад с появлением уксусной кислоты тормозится. Опыты с применением меченной в карбоксиле тяжелым углеродом масляной кислоты опровергли это мнение.

В этих опытах , проведенных на срезах печени, было установлено, что при окислении масляной кислоты накапливается ацетоуксусная кислота, в которой тяжелый углерод равномерно распределен в карбоксильной и в карбонильной группах. Это возможно только в том случае, если масляная кислота окисляется с образованием уксусной кислоты, а из уксусной кислоты конденсируется ацетоуксусная кислота

Результаты всех этих исследований приводят к заключению, что при окислительном распаде высокомолекулярных жирных кислот образуются молекулы уксусной кислоты. Это является подтверждением теории бэтто-окисления жирных кислот, в последнее время дополненной благодаря изучению ферментов, катализирующих отдельные этапы окислительного распада жирных кислот. Новый момент заключается здесь в том, что бэтто-окисление жирных кислот приводит к образованию не свободной уксусной кислоты, а ацетильного производного кофермента ацилирования (КоАSН).

Экспериментальные данные, полученные в течение ряда лет, не только подтвердили предложенную в начале нашего столетия Кноопом теорию бэтто-окисления жирных кислот, но определенным образом ее расширили. Прежде всего было показано, что жирные кислоты до процесса бэтто-окисления активируются. Реакция активирования заключается в образовании карбоксильными группами жирных кислот с участием аденозинтрифосфорной кислоты и кофермента ацилирования (КоАSН) ацил-тиопроизводных соединений.

Дальнейшему превращению подвергается ацил — SКоА.

Превращение активированной жирной кислоты катализируется следующими ферментами: 1) бэтто-ацилдегидразой, являющейся флавиновым ферментом, катализирующим реакцию дегидрирования активированной жирной кислоты; 2) бэтто-енолгидратазой , которая катализирует присоединение молекулы воды к молекуле ненасыщенной активированной жирной кислоты; 3) бэтто-оксиацилдегидразой, катализирующей окисление активированной окси кислоты; и 4) бэтто-кетотиолазой— ферментом, катализирующим отщепление от активированной кетокислоты С2-фрагмента в виде ацетильного производного кофермента А.

Путь превращения активированной жирной кислоты следующий:

Коферментом р-ацилдегидразы является флавинадениннуклеотид (ФАН), который восстанавливается, присоединяя к себе водород (ФАН-Н2) от окисляющейся жирной кислоты.

Коферментом бэтто-оксиацилдегидразы является дифосфопиридиннуклеотид (ДПН), который восстанавливается, присоединяя к себе водород (ДПН-Н2) от подвергающейся окислению р-оксикислоты.

В результате последовательного действия четырех ферментов от активированной жирной кислоты отщепляется ацетильное производное кофер-мента А и углеродная ее цепь укорачивается на два атома углерода. Образовавшаяся при этом жирная кислота с меньшим числом атомов в углеродной цепи снова подвергается бэтто-окислению. Легко понять, что в результате процесса бэтто-окисления жирная кислота распадается с образованием молекул ацетил—SКоА.

Вы можете оставить комментарий, или ссылку на Ваш сайт.

Оставить комментарий