РІВНЯННЯ РОЗРАХУНКУ ЕНЕРГЕТИЧНОГО ТА ВОДНОГО БАЛАНСУ КАТАБОЛІЗМУ ЖИРНИХ КИСЛОТ І ТРІАЦІЛГЛІЦЕРОЛОВ,

Пропонуються рівняння розрахунку енергетичного (частини запасається у формі АТФ) та водного балансу повного окислення жирних кислот та триацилгліцеролів. Введено поняття коефіцієнта ефективності - k еф (кількість АТФ, що запасаються у розрахунку на вуглецевий атом окислюваної сполуки) і рівняння для його обчислення. Знайдено, що коефіцієнт ефективності варіює в межах одного класу сполук та залежить від кількості вуглецевих атомів та метаболічних шляхів, що беруть участь в окисленні сполуки. Наведено приклади прикладного використання пропонованих рівнянь та висновки, що випливають з отриманих результатів.

Для полегшення розрахунку енергетичного та водного балансу катаболізму ліпідів пропонуються рівняння та розглядається їх прикладне значення.

Розрахунок біоенергетики повного окислення жирних кислот із парним числом вуглецевих атомів

Для виведення рівняння використовуємо формулу 1. У менш вираженій формі елементи цієї формули є А. Ленінджера [4].

n = m/2∙10 + (m/2 - 1)∙4 - 1,5а - 2. (1)

Де «n» - кількість еквівалентів АТФ, що запасаються; «m» – кількість вуглецевих атомів у жирній кислоті; m/2 - кількість молекул ацетил-КоА, що утворюються в процесі β-окислення; «10» - кількість еквівалентів АТФ, що утворюються при окисленні ацетил-КоА в циклі Кребса; (m/2 – 1) – число етапів β-окислення; «4» - кількість еквівалентів АТФ що запасаються кожному етапі (1 НАДН + Н + , 1 ФАДН2); "2" - кількість еквівалентів АТФ витрачена на активування жирної кислоти, "а" - кількість подвійних зв'язків.

У процесі β-окислення ненасичених, жирних кислот на етапі окислення ділянки молекули з подвійним зв'язком не використовується ацил-КоА - дегідрогеназна реакція, а отже не утворюється ФАДН2 (1,5 еквівалента АТФ), тому в рівняння 1 введеназмінна "а".

Перетворення рівняння 1 призводить до виразу 2.

n = 7m – 1,5а – 6. (2)

Рівняння 2 універсальне для граничних та ненасичених, жирних кислот з парним числом вуглецевих атомів. Для можливих опонентів рівняння 2 при P/O рівному 3 і 2 (для НАДН і ФАДН2 відповідно) перетвориться на вираз

яке рішення для пальмитата дасть 129 АТФ, що відповідає літературі [5].

Розрахунок біоенергетики окиснення триацилгліцеролів

Біоенергетику окислення триацилгліцеролу можна представити як суму енергетичних балансів окислення трьох жирних кислот, що входять до нього, і гліцеролу, що можна виразити рівнянням:

Перетворюючи отримане рівняння, виводимо вираз 4.

Виходячи з того, що до складу триацилгліцеролів людини входять, в основному, C16 і C18 граничні та ненасичені, жирні кислоти, то до можливої ​​молекули триацилгліцеролу може бути віднесений 1-пальмито-2-олео-3-стеарогліцерол. Підставляючи в рівняння 4 відповідні значення і вирішуючи його, отримуємо

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

1 Моль запропонованого до розгляду триацилгліцеролу дорівнює 860 г, отже, при його окисленні запасається у формі АТФ 363 ∙ 7,3 = 2649,9 ккал (7,3 ккал виділяється при гідролізі 1 моль АТФ монофосфатним шляхом у стандартних умовах).

З огляду на те, що к.п.д. окисного фосфорилювання при P/O = 2,5 (для НАДН + Н + ) і 1,5 (для ФАДН2) становить 35% (для стандартних умов), то на 1 г окисленого триацилгліцеролу виділиться 8,8 ккал/г, що близько до загальноприйнятого 9,3 ккал/г для окислення триацилгліцеролів.

Коефіцієнт ефективності

Енергія виділяється в процесі окислення органічних сполук вуглецю, проте лише частина їїзапасається в універсальному енергоносії – АТФ. Для більш точної характеристики трансформації енергії субстратів, що окислюються, в енергію АТФ можна ввести поняття коефіцієнта ефективності (kеф). За визначенням - це кількість еквівалентів АТФ, що запасаються з розрахунку на 1 вуглецевий атом окислюваної сполуки:

де «n» - кількість АТФ, що запасаються, а «m» - кількість вуглецевих атомів сполуки. Величину «m» легко визначити, знаючи структуру субстрату, що окислюється. Значення "n" для ліпідів легко розрахувати, використовуючи вище виведені рівняння.

Коефіцієнт ефективності для жирних кислот з парним «m» і триацилгліцеролів, зростає зі збільшенням числа вуглецевих атомів, але не вище 7. Для жирних кислот з непарним «m» величина kэф знижується з 7,33 (пропіонова кислота) до близьких близьких 7 при n ≥ 11 (визначено з використанням рівняння – n = 7m + 1).

Величина kеф для глюкози дорівнює 5,33 якщо її окислення здійснюється через аеробний гліколіз, окисне декарбоксилювання пірувату, цикл Кребса, ланцюг перенесення електронів. Величина kеф може бути збільшена до 7,5 якщо в процесі окислення глюкози етап окисного декарбоксилювання ПВК замінений його карбоксилювання до оксалоацетату. У цьому випадку запасається 43-45 молекул АТФ замість стандартних величин (30-32 АТФ).

Асиміляція СО2 через карбоксилазну реакцію підвищує величину kеф і у разі окислення жирних кислот з непарним числом атомів вуглецю. Це наочно демонструє порівняння величин kеф для окислення жирних кислот ряду С6, С7, С8 (6,0; 7,14 та 6,25 відповідно).

Рівняння розрахунку водного балансу катаболізму жирних кислот і триацилгліцеролів

Для розрахунку водного балансу повного окислення жирної кислоти з парною кількістю вуглецевих атомів можнаскористатися виразом

Де Н2Омет. РК - алгебраїчна сума використаної та виділеної в реакціях води; m – кількість вуглецевих атомів жирної кислоти; (m/2 - 1) - число етапів - окислення; (m/2 - 1)∙4 - кількість молекул Н2О отриманих при окисному фосфорилюванні за рахунок НАДН + Н + та ФАДН2 отриманих на кожному етапі β-окислення; (m/2 - 1)∙(2) - кількість молекул Н2О отриманих за рахунок електронів і протонів від НАДН + Н + і ФАДН2 отриманих на етапі β-окислення, що надійшли в ЦПЕ; (m/2 - 1)∙(-1) - кількість молекул води використовуваних на кожному етапі β-окислення в еноил-КоА-гідратазної реакції; [(m/2 - 1)∙4 + (m/2 - 1)∙(2) + (m/2 - 1)∙(-1)] - баланс води за рахунок етапів β-окислення; (m/2∙9) - кількість молекул води, отриманих за рахунок 3НАДН + 3Н + і ФАДН2 при окисленні ацетил-КоА в циклі Кребса (окисне фосфорилювання); m/2∙4 - кількість молекул води отриманих у ЦПЕ за рахунок 3НАДН + 3Н+ та ФАДН2; m/2∙2 – кількість молекул води витрачених у циклі Кребса; a - кількість подвійних зв'язків у жирній кислоті; [m/2∙9 + m/2∙4 - m/2∙2] - кількість молекул Н2О, що утворюються за рахунок ацетил-КоА.

Перетворення рівняння 6 призводить до виразу

Якщо P/O прийняти за 3 для НАДН + Н + і 2 для ФАДН2 то вираз 7 набуде вигляду

Використовуючи рівняння 8, розраховуємо Н2Омет. РК для пальмітинової кислоти.

Н2Омет. ЖК = 9,5∙16 - 0 - 6 = 152 - 6 = 146.

Це кількість води у разі окислення пальмитата отримує А. Ленинджер [4].

Використовуючи вираз 7 за основу, можна розрахувати водний баланс повного окислення триацилгліцеролу (ТГ) за рівнянням

Рішення представленого рівняння призводить до виразу

Підставляючи в отримане рівняння відповідні цифри, розраховуємо водний баланс окислення1-пальміто-2-олео-3-стеарогліцеролу.

Н2Омет. ТГ = 8 (16 + 18 + 18) - 1,5 ∙ 1 + 2,5 = 417.

1 Моль 1-пальмито-2-олео-3-стеарогліцеролу - 860 г, яке окислення дає 417∙18 = 7506 р води. При перерахунку на 1 г триацилгліцеролу утворюється 8,73 г ендогенної води, що в рази відрізняється від довідкових даних – 1,07 г [7].

Подані балансові рівняння до розрахунку метаболічної води не відбивають способи її освіти. Частина води утворюється в реакціях дегідратації одного або двох субстратів, а інша частина в реакціях перенесення електронів та протонів на молекулярний кисень. Для розрахунку води, що утворюється другим способом, використовується наступне рівняння

Рівняння 11 спрощується до виразу:

Для обчислення води, отриманої в ЦПЕ при повному окисленні триацилгліцеролу, можна скористатися виразом

Перетворення рівняння 13 призводить до виразу

Використовуючи рівняння 14, розрахуємо Н2ОЦПЕ (ТГ) для 1-пальміто-2-олео-3-стеарогліцериду

Це становитиме близько 38 % від усієї метаболічної води, отриманої при повному окисленні 1-пальміто-2-олео-3-стеарогліцериду.

  1. Березов Т.Т., Коровкін Б.Ф. (2004) Біологічна хімія, М: Медицина, с. 312.
  2. Кольман Я., Рем До. - Р. (2000) Наочна біохімія, М: Світ, с. 148, 166 – 167.
  3. Клімов А.М., Нікульчева Н.Г. (1999) Обмін ліпідів та ліпопротеїдів та його порушення, СПб: Пітер Ком, с. 63 – 64.
  4. Ленінджер А. (1985) Основи біохімії, М: Вищ. шк., т.2, с. 524 – 525, 559.
  5. Маррі Р., Греннер Д., Мейєс П., Родуелл Ст (1993) Біохімія людини, М.: Світ, Т.1, с. 130.
  6. Мушкамбаров Н.М. (1988) Метаболізм: структурно-хімічний та термодинамічний аналіз, М.: Т. 2, с. 451-452.
  7. За ред. Самсонова М.А., Покровського А.А. (1992) Довідник здієтології, М: Медицина, с. 29.
  8. За ред. Северіна Є.С. (2004) Біохімія, М: ГЕОТАР-МЕД, с. 279.
  9. Скулачов В.П. (1989) Біоенергетика Мембранні перетворювачі енергії, М: Вищ. шк., с. 101.
  10. Еліот Ст, Еліот Д. (2000) Біохімія та молекулярна біологія, Вид-во НДІ Біомедичної хімії РАМН, с. 107.