Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,736

УРАВНЕНИЯ РАСЧЕТА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО И ВОДНОГО БАЛАНСА КАТАБОЛИЗМА ЖИРНЫХ КИСЛОТ И ТРИАЦИЛГЛИЦЕРОЛОВ, КОЭФФИЦИЕНТ ЭФФЕКТИВНОСТИ И СРАВНИТЕЛЬНАЯ БИОЭНЕРГЕТИКА

Матьков К.Г.

Предлагаются уравнения расчета энергетического (части запасаемой в форме АТФ) и водного баланса полного окисления жирных кислот и триацилглицеролов. Введено понятие коэффициента эффективности - k эф (количество АТФ запасаемых в расчете на углеродный атом окисляемого соединения) и уравнение для его вычисления. Найдено, что коэффициент эффективности варьирует в пределах одного класса соединений и зависит от числа углеродных атомов и метаболических путей, участвующих в окислении соединения. Приведены примеры прикладного использования предлагаемых уравнений и выводы, проистекающие из полученных результатов.

Эффективность путей катаболизма определяется, в частности, количеством энергии запасенной в форме АТФ или соединений  приравниваемых ей. Как правило, рассчитывается количество эквивалентов АТФ затраченных или полученных в метаболическом пути или совокупности путей. Большинство авторов 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 и протонов в цепь переноса электронов (ЦПЭ) от НАДН приравнивают 3 [1,4,5,8,9] или 2,5 [2,10], а при поступлении электронов и протонов от ФАДН2 - 2[1,4,5,8,9] или 1,5[2,10]. Нуклеозидтрифосфаты приравниваются 1 АТФ (при монофосфатном расщеплении) или 2 АТФ при пирофосфатном расщеплении. В своих расчетах автор использует величины P/O (2,5 и 1,5 для НАДН и ФАДН2 соответственно). В литературе также отсутствуют простые уравнения для расчета водного баланса метаболических путей.

Для облегчения расчета энергетического и водного баланса катаболизма  липидов предлагаются уравнения, и рассматривается их прикладное значение.

Расчет биоэнергетики полного окисления жирных кислот с четным числом углеродных атомов

Для выведения уравнения используем формулу 1. В менее выраженной форме элементы этой формулы имеются у А. Ленинджера[4].

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

Где «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; (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, «а» - число двойных связей.

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), поэтому в уравнение 1 введена переменная «а».

Преобразование уравнения 1 приводит к выражению 2.

n = 7m - 1,5а - 6. (2)

Уравнение 2 универсально для предельных и непредельных, жирных кислот с четным числом углеродных атомов. Для возможных оппонентов уравнение 2 при P/O равном 3 и 2 (для НАДН и ФАДН2 соответственно) преобразится в выражение

n = 8,5m - 2a - 7,

а его решение для пальмитата даст 129 АТФ, что соответствует литературе [5].

Расчет биоэнергетики окисления триацилглицеролов

Биоэнергетику окисления триацилглицерола можно представить как  сумму энергетических балансов окисления трех входящих в него жирных кислот и глицерола, что можно выразить уравнением:

n = (7m1 - 6) + (7m2 - 6) + (7m3 - 6) - 1,5a + 18,5; (3)

Преобразуя полученное уравнение, выводим выражение 4.

n = 7(m1 + m2 + m3) - 1,5a + 0,5. (4)

Исходя из того, что в состав триацилглицеролов человека входят, в основном, C16 и C18 предельные и непредельные, жирные кислоты, то к возможной молекуле триацилглицерола может быть отнесен 1-пальмито-2-олео-3-стеароглицерол. Подставляя в уравнение 4 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 запасается в форме АТФ 363 ∙ 7,3 = 2649,9 ккал (7,3 ккал выделяется при гидролизе 1 моль АТФ по монофосфатному пути в стандартных условиях).

С учетом того, что к.п.д. окислительного фосфорилирования при  P/O = 2,5 (для НАДН + Н+) и 1,5 (для ФАДН2) составляет 35% (для стандартных условий), то на 1 г окисленного триацилглицерола выделится 8,8 ккал/г, что близко к общепринятому 9,3 ккал/г для окисления триацилглицеролов.

Коэффициент эффективности

Энергия выделяется в процессе окисления органических соединений углерода, однако только часть её запасается в универсальном энергоносителе - АТФ. Для более точной характеристики трансформации энергии окисляемых субстратов в энергию АТФ можно ввести понятие коэффициента эффективности (kэф). По определению - это количество эквивалентов АТФ запасаемых в расчете на 1 углеродный атом окисляемого соединения:

 kэф = n/m, (5)

где «n» - количество запасаемых АТФ, а «m» - количество углеродных атомов соединения. Величину «m» легко определить, зная структуру окисляемого субстрата. Значения «n» для липидов легко рассчитать, используя выше выведенные уравнения.

Коэффициент эффективности для жирных кислот с четным «m»  и триацилглицеролов, возрастает с увеличением числа углеродных атомов, но не выше 7. Для жирных кислот с нечетным «m» величина kэф снижается с 7,33 (пропионовая кислота) до величин близких 7 при n ≥ 11 (определено с использованием уравнения - n  = 7m + 1).

Величина kэф для глюкозы равна 5,33 если её окисление  осуществляется через аэробный гликолиз, окислительное декарбоксилирование пирувата, цикл Кребса, цепь переноса электронов. Величина kэф может быть увеличена до 7,5 если в процессе окисления глюкозы этап окислительного декарбоксилирования ПВК заменен его карбоксилированием до оксалоацетата. В этом случае запасается 43-45 молекул АТФ, вместо стандартных величин (30-32 АТФ).

Ассимиляция СО2 через карбоксилазную реакцию повышает величину   kэф и в случае окисления жирных кислот с нечетным числом углеродных атомов. Это наглядно демонстрирует сравнение величин kэф для окисления жирных кислот ряда С6, С7, С8 (6,0; 7,14 и 6,25 соответственно).

Уравнения расчета водного баланса катаболизма жирных кислот и триацилглицеролов

Для расчета водного баланса полного окисления жирной кислоты с четным числом углеродных атомов можно воспользоваться выражением

Н2Омет. ЖК = [(m/2 - 1)∙4 + (m/2 - 1)∙(2) + (m/2 - 1)∙(-1)]  + [m/2∙9 + m/2∙4 - m/2∙2] - 1,5a. (6)

Где Н2Омет. ЖК - алгебраическая сумма использованной и выделенной в реакциях воды; 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  НАДН + Н+ и ФАДН2 полученных на каждом этапе     β-окисления;  (m/2 - 1)∙(2) - количество молекул Н2О полученных за счет электронов и протонов от НАДН + Н+ и ФАДН2 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 ФАДН2 при окислении ацетил-КоА в цикле Кребса (окислительное фосфорилирование); m/2∙4 - количество молекул воды полученных в ЦПЭ за счет 3НАДН + 3Н+ и ФАДН2; 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 уравнения 6 приводит к выражению

Н2Омет. ЖК = 8m - 1,5a - 5. (7)

Если P/O принять за 3 для НАДН + Н+ и 2 для ФАДН2 то выражение 7 примет вид

 Н2Омет. ЖК = 9,5m - 1,5a - 6. (8)

Используя уравнение 8, рассчитываем Н2Омет. ЖК для пальмитиновой кислоты.

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

Это же количество воды в случае окисления пальмитата получает А. Ленинджер [4].

Используя выражение 7 за основу можно рассчитать водный баланс полного окисления триацилглицерола (ТГ) по уравнению

 Н2Омет. ТГ = (8m1 - 5) + (8m2 - 5) + (8m3 - 5) - 1,5а - 3 + 20,5; (9)

Решение представленного уравнения приводит к выражению

 Н2Омет. ТГ = 8(m1 + m2 + m3) - 1,5a + 2,5. (10)

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

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

1 Моль 1-пальмито-2-олео-3-стеароглицерола - 860 г, а его окисление дает  417∙18 = 7506 г воды. При перерасчете на 1 г триацилглицерола образуется 8,73 г эндогенной воды, что в разы отличается от справочных данных -  1,07 г  [7].

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

 Н2ОЦПЭ (ЖК) = m/2∙4 + (m/2 - 1)∙2 - a. (11)

Уравнение 11 упрощается до выражения:

Н2ОЦПЭ (ЖК) = 3m - a - 2. (12)

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

 Н2ОЦПЭ (ТГ) = (3m1 -  2) + (3m2 -  2) + (3m3 -  2) - а + 7. (13)

Преобразование уравнения 13 приводит к выражению

 Н2ОЦПЭ (ТГ) = 3(m1 + m2 + m3) - a + 1. (14)

Используя уравнение 14, рассчитаем Н2ОЦПЭ (ТГ) для 1-пальмито-2-олео-3-стеароглицерида

Н2ОЦПЭ (ТГ) = 3(16 + 18 + 18) -  1 + 1 = 156.

Это составит около 38 % от всей метаболической воды полученной при полном окислении  1-пальмито-2-олео-3-стеароглицерида.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

  1. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. (2004) Биологическая химия, М.: Медицина, с. 312. 
  2. Кольман Я., Рём К. - Г. (2000) Наглядная биохимия, М.: Мир, с. 148, 166 - 167.
  3. Климов А.Н., Никульчева Н.Г. (1999) Обмен липидов и липопротеидов и его нарушения, СПб: Питер Ком, с. 63 - 64.
  4. Ленинджер А. (1985) Основы биохимии, М.: Высш. шк., Т.2, с. 524 - 525, 559.
  5. Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В. (1993) Биохимия человека, М.: Мир, Т.1, с. 130.
  6. Мушкамбаров Н.Н. (1988) Метаболизм: структурно-химический и термодинамический анализ, М.: Т. 2, с. 451-452.
  7. Под ред. Самсонова М.А., Покровского А.А. (1992) Справочник по диетологии, М.: Медицина, с. 29.
  8. Под  ред. Северина Е.С. (2004) Биохимия, М.: ГЭОТАР-МЕД, с. 279.
  9. Скулачев В.П. (1989) Биоэнергетика Мембранные преобразователи энергии, М.: Высш. шк., с. 101.
  10. Элиот В., Элиот Д. (2000) Биохимия и молекулярная биология, Изд-во НИИ Биомедицинской химии РАМН, с. 107.

Библиографическая ссылка

Матьков К.Г. УРАВНЕНИЯ РАСЧЕТА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО И ВОДНОГО БАЛАНСА КАТАБОЛИЗМА ЖИРНЫХ КИСЛОТ И ТРИАЦИЛГЛИЦЕРОЛОВ, КОЭФФИЦИЕНТ ЭФФЕКТИВНОСТИ И СРАВНИТЕЛЬНАЯ БИОЭНЕРГЕТИКА // Успехи современного естествознания. – 2007. – № 3. – С. 89-91;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=11013 (дата обращения: 20.10.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074