Окисление жирных кислот: как клетки используют жирные кислоты для получения энергии

Окисление жирных кислот — довольно простой метаболический путь. Он включает расщепление жирных кислот в присутствии кислорода для образования энергии для клеток. Однако лабораторный тест на окисление жирных кислот не всегда дает такие простые результаты. В одном образце может наблюдаться низкая скорость окисления жирных кислот, в другом — нормальная активность ферментов, участвующих в этом процессе, но очень плохой митохондриальный транспорт из-за проблем с карнитином или CPT-I.

Процесс окисления жирных кислот у млекопитающих обычно называют β-окислением. Он описывается поэтапным превращением длинноцепочечных жирных кислот в ацетильные звенья, которые соединяются, образуя ацетил-КоА, используемый для производства энергии в клетках путем превращения в ФАДН₂ и НАДН в ходе β-окисления. В контексте исследований липидного обмена, диабета, ожирения, поражения печени, физических упражнений, воздействия на митохондрии и моделей заболеваний обмена веществ, описанный путь β-окисления обычно заслуживает пошагового анализа.

Соларбио Также поставляются биохимические реагенты, наборы для биохимического анализа, биохимические инструменты для исследований в области биологических наук. При изучении окисления жирных кислот недостаточно знать только название метаболического пути. Необходимо также знать, какой фермент, переносчик или промежуточное соединение необходимо измерить.

Что такое окисление жирных кислот?

Окисление жирных кислот — это процессы, в ходе которых жирные кислоты катаболизируются в аэробных условиях с образованием CO₂ и H₂O и одновременным выделением энергии. Существует несколько путей окисления, а именно: β-окисление, α-окисление, ω-окисление, окисление пропионил-КоА и окисление ненасыщенных жирных кислот.

Большинство исследований, посвященных организмам млекопитающих, описывают расщепление жирных кислот преимущественно посредством бета-окисления. Бета-окисление жирных кислот в основном происходит в митохондриальном матриксе. У растений также происходит расщепление жирных кислот путем бета-окисления. В отличие от большинства организмов млекопитающих, этот процесс локализуется в пероксисомах листьев и прорастающих семян растений. Поскольку большинство исследований заболеваний, связанных с метаболизмом липидов, и клеточного метаболизма липидов проводится на организмах млекопитающих, в данном обзоре бета-окисления жирных кислот организмы млекопитающих будут рассмотрены более подробно.

Если ваш проект охватывает другие метаболические пути, такие как цикл трикарбоновых кислот, производство кетоновых тел или митохондриальное дыхание, может быть полезно рассмотреть метаболические пути окисления жирных кислот в контексте других процессов. ссылки на метаболические реакции вместо того, чтобы сосредотачиваться только на одной реакции ФАО.

Почему печень и мышцы являются распространенными образцами для анализа ФАО?

Активный энергетический метаболизм

Активные центры окисления жирных кислот расположены в печени и мышцах. Печень участвует во многих процессах, связанных с энергетическим обменом, включая метаболизм липидов, образование кетоновых тел, использование ацетил-КоА, а также другие реакции. Мышцы используют жирные кислоты в качестве топлива в условиях голодания, длительных физических нагрузок или низкого уровня глюкозы в крови.

Поэтому для исследований окисления жирных кислот (ОФК) обычно анализируют ткани печени и мышц. Если ОФК в печени снижается, то существует вероятность увеличения накопления липидов. Изменения в ОФК в мышцах могут привести к исследованию митохондриальной емкости, реакции на физические нагрузки или повышению метаболической гибкости.

Три основные части дорожки

Процесс β-окисления жирных кислот можно разделить на 3 стадии: 1) активация жирной кислоты, 2) транспорт жирноацил-КоА в митохондрии и 3) повторные циклы β-окисления в митохондриальном матриксе.

Такое разделение полезно в реальных экспериментах. Измерение только общей скорости окисления жирных кислот может показать, что метаболический путь изменился, но не покажет, где именно это изменение произошло. Проверка уровня ACS, CPT-I, карнитина, SACD, MACD, LACD и скорости окисления жирных кислот дает более четкое представление о различных точках метаболического пути.

Как активируются жирные кислоты

Образование жирноацил-КоА

Неинкапсулированные свободные жирные кислоты не могут участвовать в β-окислении. Сначала их необходимо активировать. Эта стадия активации жирных кислот происходит в цитозоле, где они соединяются с CoA-SH в присутствии АТФ, Mg²⁺ и жирноацил-КоА-синтетазы, образуя жирноацил-КоА.

Активация липидов для последующих этапов образования продуктов происходит в эндоплазматическом ретикулуме и внешней митохондриальной мембране. Реактивные молекулы жирных ацил-КоА распознаются различными ферментами. Для исследования ранних стадий метаболизма жирных кислот мы теперь предлагаем... Набор для определения активности ацил-КоА-синтетазы (АКС) BC0760/BC0765 для измерения активности ацил-КоА-синтетазы. Поскольку ацил-КоА-синтетаза является одним из первых ферментов, изучаемых при исследовании активации жирных кислот, потока субстрата и хранения/окисления липидов, почему активность АКС имеет значение.

АКС часто описывают как первый фермент в метаболическом пути активированных жирных кислот. Однако правильное представление заключается в том, что это многофункциональный фермент. Как только жирная кислота превращается в жирноацил-КоА, она может поступать в путь β-окисления жирных кислот, использоваться для синтеза липидов, становиться частью мембраны или даже служить предшественником сигнальных молекул. Изменения активности первого фермента метаболического пути субстрата, скорее всего, оказывают глубокое влияние на метаболизм в целом.

Например, влияние на накопление липидов может зависеть от изменений в энергоснабжении и клеточного стресса. Поэтому активность ACS часто определяется в исследованиях метаболизма печени, в моделях адипоцитов, в исследованиях энергетического метаболизма мышц, а также в моделях липидных заболеваний.

Как жирный ацил-КоА попадает в митохондрии

Карнитиновый челнок

Ферменты β-окисления находятся в митохондриальном матриксе. В митохондриальном матриксе короткоцепочечные жирные кислоты легко переносятся в митохондрии. В отличие от них, длинноцепочечные жирные кислоты в виде их производных кофермента А не переносятся в митохондрии. Перенос длинноцепочечных жирных кислот в митохондрии осуществляется с помощью карнитинового челнока. Во внешней митохондриальной мембране карнитинпальмитоилтрансфераза I (CPT-I), кодируемая геном BC0645, переносит длинноцепочечные жирноацильные группы от их производных кофермента А к карнитину, образуя жирноацилкарнитин. Затем этот жирноацилкарнитин переносится в митохондриальный матрикс с помощью белка-переносчика. Внутри митохондрий жирноацильные группы затем переносятся от карнитина к коферменту А под действием карнитинпальмитоилтрансферазы II (CPT-II), и карнитин высвобождается. Активность CPT-I можно определить с помощью набора для определения активности карнитинпальмитоилтрансферазы I (CPT-I) BC0645 для этого этапа транспорта. Если вопрос больше касается доступности карнитина, также полезен набор для определения содержания свободного/общего карнитина BC0670/BC0675.

Почему карнитин не следует игнорировать

Карнитин часто рассматривается как простой переносчик и поэтому в исследованиях окисления жирных кислот (ОЖК) в значительной степени игнорируется. Однако в исследованиях ОЖК он может быть лимитирующим этапом. Когда уровень свободного карнитина низок или общее значение карнитина отклоняется от нормы, длинноцепочечные жирные кислоты неэффективно транспортируются в митохондрии. Это приведет к снижению ОЖК даже при наличии последующих ферментов в нормальных количествах.

Измерение активности CPT-I в сочетании с содержанием карнитина более практично, чем измерение только одного из этих показателей.

Что происходит в цикле β-окисления?

Четыре повторяющиеся реакции

β-Окисление жирных ацил-КоА начинается в митохондриальном матриксе. Цикл β-окисления состоит из четырех этапов: 1) дегидрирование, 2) гидратация, 3) второе дегидрирование, 4) тиолиз. В каждом цикле β-окисления происходит расщепление жирноацильной цепи двумя атомами углерода с образованием одной молекулы ацетил-КоА.

По мере протекания каждого цикла удлинения укороченный ацил-КоА возвращается в начало цикла для дальнейшего удлинения, пока вся жирнокислотная цепь не будет расщеплена.

Дегидрирование и ферменты длинной цепи

Первая реакция катализируется ацил-КоА-дегидрогеназой, высвобождающей атомы водорода из α- и β-углеродных позиций в виде транс-Δ²-еноил-КоА. В процессе ФАД восстанавливается до ФАДН₂ и может генерировать АТФ в дыхательной цепи.

Ацил-КоА-дегидрогеназы — это ферменты, действующие на жирные кислоты различной длины. SACD связана с короткоцепочечными субстратами ацил-КоА, MACD — со среднецепочечными субстратами ацил-КоА, а LACD — с длинноцепочечными субстратами ацил-КоА. Поэтому результат одного теста не обязательно означает, что все остальные группы по длине цепей находятся в пределах нормы.

В BC0775 Наборы для определения активности короткоцепочечной ацил-КоА-дегидрогеназы (SACD), BC0785 для определения активности среднецепочечной ацил-КоА-дегидрогеназы (MACD) и BC0795 для определения активности длинноцепочечной ацил-КоА-дегидрогеназы (LACD) могут использоваться для мониторинга специфического окисления жирных кислот короткой, средней и длинной цепи соответственно.

Гидратация, вторичное дегидрирование и тиолиз

Транс-Δ²-еноил-КоА, полученный на первом этапе дегидрирования, превращается эноил-КоА-гидратазой в соответствующий β-гидроксиацил-КоА. Затем этот β-гидроксиацил-КоА превращается β-гидроксиацил-КоА-дегидрогеназой в соответствующий β-кетоацил-КоА. В этой реакции НАД⁺ восстанавливается с образованием НАДН и H⁺.

Наконец, фермент β-кетоацил-КоА тиолаза использует CoA-SH для расщепления молекулы β-кетоацил-КоА. В результате образуется ацетил-КоА и молекула жирноацил-КоА, которая на два атома углерода короче исходной молекулы.

Ацетил-КоА может использоваться в цикле трикарбоновых кислот (ЦТК). В печени ацетил-КоА также может использоваться для производства кетоновых тел. Кроме того, он используется для синтеза холестерина и стероидных соединений. Таким образом, окисление жирных кислот — это не просто «сжигание жира», и оно обеспечивает работу нескольких других метаболических путей.

Почему обнаружение ФАО важно в исследованиях

Липидный баланс и энергоснабжение

Жирные кислоты обладают большим количеством энергии. Во время голодания или длительных спортивных нагрузок многие ткани переключаются на использование окисления жирных кислот в качестве источника энергии. Когда окисление жирных кислот функционирует должным образом, ткани могут использовать жирные кислоты в качестве источника энергии и поддерживать правильный липидный баланс.

При замедлении β-окисления жирные кислоты и промежуточные липиды могут накапливаться. Исследования печени могут показать отложение липидов. Скорость окисления жирных кислот в тканях моделей ожирения и диабета может указывать на то, как эти ткани справляются с избыточным поступлением жирных кислот. В исследованиях митохондрий низкая скорость окисления жирных кислот может указывать на проблемы с производством энергии.

Выбор правильного способа отображения информации

Не для каждого эксперимента нужен каждый набор реагентов. Первым набором, который следует рассмотреть для исследования активации жирных кислот, будет набор для измерения активности ACS. Для исследования митохондриального поглощения длинноцепочечных и очень длинноцепочечных жирных кислот более подходящим будет измерение активности CPT-I в сочетании с карнитином. Для исследований, посвященных циклу окисления жирных кислот, отдельные наборы для SACD, MACD и LACD обеспечат более подробную информацию. Для исследований, направленных на получение общих данных о метаболическом пути, подойдут следующие наборы реагентов. Набор для определения скорости окисления жирных кислот (FAO) BC0815 Это ваш лучший вариант.

Для более масштабных проектов, связанных с метаболизмом, может быть полезно сначала рассмотреть следующие вопросы: исследовательские решения для решения подобных проблем, а затем определить показатели на основе этой информации. Это особенно важно для небольших объемов образцов или при изучении нескольких различных путей.

Распространенные наборы реагентов, используемые в исследованиях β-окисления жирных кислот.

Биохимические анализы Solarbio продаются в составе различных наборов для биохимического анализа. Эти анализы могут использоваться с различными тканями, клетками и другими биологическими образцами. Для получения более подробной информации, пожалуйста, ознакомьтесь с протоколами для каждого продукта.

Для исследователей, которые не уверены в каких-либо аспектах протокола, которому они должны следовать, Техническая поддержка Solarbio может помочь уточнить информацию о том, правильно ли исследователь выбрал образец, метод обнаружения и набор реагентов для своих образцов, прежде чем проводить анализ фактических образцов для эксперимента.

Вывод

Окисление жирных кислот является ключевым метаболическим путем в исследованиях энергетического метаболизма. Для того чтобы подвергнуться β-окислению, жирные кислоты должны быть активированы, чтобы транспортироваться в митохондрии, где само β-окисление происходит в митохондриальном матриксе с помощью ряда ферментов. В результате β-окисления длинноцепочечные жирные кислоты расщепляются до ацетил-КоА, ФАДН2 и НАДН, которые важны для производства энергии.

При экспериментальном определении ФАО, его не следует выражать одним числом, поскольку ACS, CPT-I, карнитин, SACD, MACD и LACD измеряют разные участки метаболического пути. Поэтому необходимо выбрать соответствующий индикатор для объяснения результатов и уменьшения потерь образцов.

Если у вас возникли вопросы по выбору продукта, совместимости образцов или экспериментальным протоколам, мы будем рады, если компания Solarbio ответит на них до начала эксперимента.

Часто задаваемые вопросы

В1: Что такое окисление жирных кислот?
A1: Окисление жирных кислот — это процесс расщепления жирных кислот в аэробных условиях с высвобождением энергии. В клетках млекопитающих этот процесс почти полностью осуществляется посредством бета-окисления.

В2: Где в клетках млекопитающих происходит β-окисление жирных кислот?
A2: β-окисление жирных кислот происходит в митохондриальном матриксе. Длинноцепочечный жирный ацил-КоА сначала переносится в митохондрии с помощью карнитинового челнока.

В3: Почему жирные кислоты необходимо сначала активировать?
A3: Свободные жирные кислоты не могут напрямую участвовать в β-окислении. Их необходимо превратить в жирноацил-КоА с помощью жирноацил-КоА-синтетазы, используя АТФ, КоА-SH и Mg²⁺.

В4: Какова роль CPT-I в окислении жирных кислот?
A4: CPT-I — это фермент внешней митохондриальной мембраны, который превращает длинноцепочечные жирные ацил-КоА в форму жирного ацилкарнитина, позволяя жирной кислоте транспортироваться через внешнюю митохондриальную мембрану, а затем через внутреннюю митохондриальную мембрану, где она активируется до формы КоА, а затем подвергается бета-окислению.

В5: Для чего используются SACD, MACD и LACD?
A5: SACD, MACD и LACD используются для определения активности ацил-КоА-дегидрогеназы с короткой, средней и длинной цепью.