Айзек Азимов - Энергия жизни. От искры до фотосинтеза

Несмотря на столь давний интерес ученых к проблеме, подробности метаболизма жиров оставались неизвестными до тех пор, пока не была разработана вышеописанная технология изотопного маркирования. Лишь в 1951 году биохимики получили возможность писать формулы жирового метаболизма хоть с какой-то степенью уверенности.

В свете сегодняшнего знания мы можем сказать, что Кнооп был прав: действительно, углеродная цепочка жирных кислот «нарезается» организмом на фрагменты по два атома углерода, начиная с карбоксильного конца. Только надо внести два уточнения. Во-первых, для того, чтобы подвергнуться катаболизму, жирная кислота должна конденсироваться с коферментом А. Во-вторых, сам процесс отрезания двух атомов углерода происходит в четыре этапа (рис. 67).

Первый этап — дегидрогенизация. От каждого из двух атомов углерода, соседствующих с карбоксильной группой, отщепляется по атому водорода. Второй этап — гидратация. К веществу добавляется вода таким образом, что гидроксильная группа присоединяется ко второму атому углерода карбоксильной группы (этот атом называется «бета-углерод», соответственно, вся реакция имеет название «бета-оксидация»). На третьем этапе удаляются еще два атома водорода, так что бета-углерод становится частью кетогруппы. Если посмотреть сейчас на формулу ацетоуксусной кислоты, то станет ясно, что она — продукт именно этого, третьего, этапа. На четвертом этапе два атома углерода отщепляются одновременно в составе ацетилкофермента А, и от цепочки остается новая, укороченная на два атома углерода жирная кислота, которая конденсируется с коферментом А и отправляется на следующую итерацию цикла.

Полное название этого цикла — «цикл окисления жирной кислоты». На самом деле это скорее спиралеобразный, чем циклический, процесс, поскольку нельзя сказать, что в конце мы приходим к тому же, что имели в начале, поскольку с каждой итерацией жирная кислота становится короче на два атома углерода. Таким образом, восемнадцатиуглеродная жирная кислота, например стеариновая, в конце концов превращается в девять молекул ацетилкофермента А.

После формирования ацетилкофермента А он вступает в соединение с щавелево-уксусной кислотой для образования лимонной кислоты и входит, таким образом, в цикл Кребса, описанный в предыдущей главе. Не важно, сформирован ли ацетилкофермент А из жирной кислоты или путем катаболизма глюкозы; организм не может определить происхождение вещества (рис. 68).

Ацетилкофермент А тоже можно рекомбинировать с получением в итоге жирной кислоты. Для этого надо обратить цикл окисления жирных кислот. То есть две молекулы ацетилкофермента А объединяются для получения ацетоацетилкофермента А, затем добавляются два атома водорода, удаляется вода, добавляются еще два атома водорода — и вот мы получили четырехуглеродную жирную кислоту, конденсированную с коферментом А. Эту цепочку можно продолжать сколько угодно, добавляя каждый раз по ацетилкоферменту А.

Получается, что ацетилкофермент А и есть тот самый общий строительный «кирпичик», наличие которого я логически обосновал в главе 19, рассуждая о том, как крахмалистая пища переводится в жир, а нормальный уровень глюкозы в крови поддерживается за счет расщепления жира.

Конечно, и в метаболизме жирных кислот, как и в метаболизме глюкозы, важное место занимает дыхательная цепь. При каждой итерации цикла окисления жирных кислот происходит две дегидрогенизации. Первая катализируется флавоферментом, а вторая — пиридин-ферментом. Можно считать, что в первом случае производится две молекулы АТФ, а во втором — три, так что при каждой итерации цикла производится в целом пять молекул АТФ путем окислительного фосфорилирования.

В случае, скажем, стеариновой кислоты, в состав которой входят восемнадцать атомов углерода, происходит восемь итераций цикла (понятно, почему не девять? Попробуйте разрезать полоску бумаги на 9 частей, и увидите, что потребуется совершить всего 8 разрезов), и при этом производится девять молекул ацетилкофермента А.

То есть при переводе молекулы стеариновой кислоты в девять молекул ацетилкофермента А получается 8 умножить на 5, то есть 40 молекул АТФ. Если посмотреть на схему цикла Кребса, приведенную на рис. 64, то видно, что в этом цикле из ацетилкофермента А производится 12 молекул АТФ. Соответственно, если 9 молекул ацетилкофермента А умножить на 12, получим 108 молекул АТФ.

Таким образом, в процессе перехода от стеариновой кислоты к углекислоте и воде образуется не менее 40+108, то есть 148 молекул АТФ. Но это еще не все. Типичная молекула жира, например стеарин, состоит из трехуглеродного спирта, глицерина, в соединении с тремя молекулами стеариновой кислоты. Каждая из трех молекул стеариновой кислоты послужит формированию 148 молекул АТФ, то есть всего образуется 3 x148 = 444 молекулы АТФ. Глицерин же будет превращен в пировиноградную кислоту, что само по себе даст еще 15 молекул АТФ — итого организм получит 459 молекул АТФ в результате катаболизма каждой молекулы стеарина.

Идем дальше. При переходе одного грамма жира в углекислоту и воду высвобождается 9 килокалорий тепла (см. главу 14). Один моль стеарина весит 891 грамм, соответственно, при переходе одного моля стеарина в углекислоту и воду высвобождается 891 х 9 = 8019 килокалорий. Путем образования 459 молекул АТФ запасается 459 х 8 = 3672 килокалории химической энергии. Значит, эффективность процесса — 3672: 8019 = чуть более 45 процентов. Это превосходный результат.

Но если посмотреть на рис. 64, видно, что ацетилкофермент А попадает в цикл Кребса путем соединения с щавелево-уксусной кислотой. А щавелево-уксусная кислота производится в достаточном количестве только путем углеводного метаболизма (до какой-то степени — белкового метаболизма), но никак не метаболизма жиров.

Если в пище много жиров, но мало углеводов, ацетилкофермента А производится много, но щавелево-уксусной кислоты — мало. Ацетилкофермент А начинает накапливаться, конденсироваться сам с собой, образовывая ацетоуксусную кислоту, и в организме образуется повышенная концентрация кетонных тел, находящая выражение в состоянии, известном как «кетоз».

Такая диета, богатая жирами, но бедная углеводами, называется «кетогенной», потому что способствует повышению концентрации кетонных тел. Голодание — тоже кетогенный процесс, потому что все углеводородные запасы организм исчерпывает за день, а дальше начинаются процессы извлечения энергии из жиров. Если печень обрабатывать жирной кислотой, не добавляя при этом углеводов, то, по наблюдениям Эмбдена, тоже начинается кетоз.