3.2. Обмен липидов

Главными запасными формами липидов растений являются жиры, которые интенсивно синтезируются в хлоропластах, семенах и плодах. Особенно много жиров накапливается в семенах масличных растений. Изучение биохимических процессов в созревающих семенах масличных растений показало, что увеличение в них содержания жиров сопровождается понижением концентрации сахаров. При введении в созревающие семена сахаров, меченных радиоактивным изотопом углерода ¹⁴С, радиоактивная метка довольно быстро обнаруживалась в составе ацилглицеринов жира. Это послужило доказательством того, что синтез жира осуществляется из углеводов. В дальнейшем было выяснено, что непосредственными предшественниками в синтезе ацилглицеринов жира являются активированные формы жирных кислот и фосфорилированный глицерин, которые образуются из продуктов углеводного обмена.

3.2.1. Синтез глицеролфосфата и жирных кислот

Н

/

С=О СН₂ОН СН₂ОН

| | |

СНОН D С=О + НАД × Н + Н⁺ ¾® СНОН + НАД⁺

| | |

СН₂ОⓅ СН₂ОⓅ СН₂ОⓅ

3-фосфогли- фосфодиокси- глицерол-3-фосфат

цериновый ацетон

альдегид

Исходными веществами для синтеза глицеролфосфата служат продукты фотосинтеза и дыхания – 3-фосфоглицериновый альдегид и фосфодиоксиацетон. Они образуются в цикле Кальвина при фотосинтезе, на стадии гликолиза при дыхании, а также в реакциях пентозофосфатного цикла. Непосредственно глицеролфосфат синтезируется в результате восстановления фосфодиоксиацетона ферментом глицерол-3-фосфатдегидрогеназой:

Синтезированный из углеводных продуктов глицерол-3-фосфат затем используется для синтеза ацилглицеринов жира, фосфолипидов и гликолипидов.

С использованием меченных ¹⁴С биохимических предшественников было показано, что основным органическим соединением, непосредственно участвующем в синтезе жирных кислот, является ацетилкофермент А, который образуется как продукт дыхательных реакций или реакций распада липидов и аминокислот.

На первом этапе происходит активирование ацетилкофермента А путем превращения его в малонилкофермент А. Эту реакцию катализирует фермент ацетил-КоА-карбоксилаза (6.4.1.2), содержащий в активном центре группировку биотина. В состав фермента также входят катионы Mn²⁺. Карбоксилирование ацетил-КоА сопряжено с гидролизом АТФ:

СН₃–СS–КоА+СО₂+Н₂О+АТФ НООС–СН₂–СS–КоА+АДФ+Н₃РО₄

|| ||

О О

ацетил-КоА малонил-КоА

В дальнейшем процесс синтеза жирной кислоты осуществляется с участием мультиферментного комплекса, называемого синтетазой жирных кислот. Ферментный комплекс растворён в жидкой фазе цитозоля и в его центральной части находятся молекулы специфического белка, способного присоединять и переносить ацильные остатки в ходе синтеза жирной кислоты. Этот белок получил название ацилпереносящего белка (АПБ). К одному из сериновых остатков ацилпереносящего белка через остаток ортофосфорной кислоты присоединена группировка витамина – пантотеновой кислоты, с которой связан остаток тиоэтаноламина. Поскольку он содержит активную тиоловую группу, ацилпереносящий белок сокращённо обозначают HS–АПБ. С помощью АПБ поддерживается рост цепи синтезируемой жирной кислоты и её переход от одного фермента к другому в пределах мультиферментного комплекса. Строение ацилпереносящего бел-ка можно представить в виде следующей схемы:

Н Н НО СН₃ ОН

| | | | |

НS–СН₂–СН₂–N–С–СН₂–СН₂–N–С–СН–С–СН₂–О–Р–О–Ser–АПБ

|| || | ||

│О О СН₃ │ О

тиоэтаноламин │ пантотеновая кислота │

Под действием фермента АПБ-ацетилтрансферазы (2.3.1.38) остаток уксусной кислоты от ацетил-КоА переносится на АПБ:

(2)

СН₃–СS–КоА + НS–АПБ  СН₃–СS–АПБ + НS–КоА

|| ||

О О

ацетил-КоА ацетил-АПБ

С участием другого фермента АПБ-малонилтрансферазы (2.3.1.39) на АПБ переносится также остаток малоновой кислоты от малонил-КоА:

(3)

НООС–СН₂–СS–КоА + НS–АПБ  НООС–СН₂–СS–АПБ + НS–КоА

|| ||

О О

малонил-КоА малонил-АПБ

В следующей реакции, происходящей в мультиферментном комплек-се синтетазы жирных кислот, под действием фермента 3-оксоацил-АПБ-синтазы (3.3.1.41) из двууглеродного и трёхуглеродного радикалов ацетил-АПБ и малонил-АПБ происходит образование четырёхуглеродного фрагмента, соединённого с АПБ. При этом в ходе реакции молекула малонил-КоА декарбоксилируется и в качестве продукта данного превращения выделяется та же молекула СО₂, которая вошла в состав малонил-КоА в результате карбоксилирования ацетил-КоА:

(4)

СН₃–СS–АПБ + НООС–СН₂–СS–АПБ  СН₃–С–СН₂–СS–АПБ + СО₂ + НS–АПБ

|| || || ||

О О О О

ацетил-АПБ малонил-АПБ ацетоацетил-АПБ

Таким образом, карбоксилирование ацетил-КоА можно рассматривать как реакцию активирования ацетильного радикала для переноса на соответствующий акцептор, который представляет собой ацильный радикал, соединённый с АПБ в ферментном комплексе синтетазы жирных кис-лот.

Образовавшееся 3-оксоацилпроизводное далее подвергается восстановлению под действием фермента 3-оксоацил-АПБ-редуктазы (1.1.1.100), который использует в качестве донора электронов и протонов восстановленные динуклеотиды НАДФ  Н. В результате восстановительной реакции синтезируется 3-оксипроизводное:

(5)

СН₃–С–СН₂–СS–АПБ+НАДФ  Н+Н⁺ СН₃–СН–СН₂–СS–АПБ+НАДФ⁺

|| || | ||

О О ОН О

ацетоацетил-АПБ 3-оксибутирил-АПБ

Как известно, источником образования восстановленных динуклеотидов НАДФ  Н служат фотосинтетическое фосфорилирование или реакции пентозофосфатного цикла.

В следующей реакции от 3-оксибутирил-АПБ отщепляется молекула воды с образованием ,-ненасыщенного производного – кротонил-АПБ. Данное превращение катализирует фермент кротонил-АПБ-гидратаза (4.2.1.58):

СН₃–СН–СН₂–СS–АПБ  СН₃–СН=СН–СS–АПБ + Н₂О (6)

| || ||

ОН О О

3-оксибутирил-АПБ кротонил-АПБ

Ненасыщенное производное восстанавливается ферментом еноил-АПБ-редуктазой (1.3.1.10), который использует в качестве донора электронов и протонов восстановленные динуклеотиды НАДФ  Н:

(7)

СН₃–СН=СН–СS–АПБ + НАДФ  Н+Н⁺  СН₃–СН₂–СН₂–СS–АПБ + НАДФ⁺

|| ||

О О

кротонил-АПБ бутирил-АПБ

На следующем этапе синтеза жирной кислоты бутирил-АПБ становится акцептором ацетильного радикала, переносимого от малонил-АПБ, в результате осуществляется синтез уже шестиуглеродного 3-оксоацил-АПБ. Затем происходят реакции (5–7), в ходе которых синтезируется восстановленное шестиуглеродное производное гексаноил-АПБ. Оно также становится акцептором ацетильного радикала, переносимого от малонил-АПБ, снова повторяются реакции (5–7), дающие уже восьмиуглеродное восстановленное производное, связанное с АПБ. По аналогичной схеме указанные реакции повторяются до тех пор, пока полностью не синтезируется углеводородная цепь жирной кислоты, которая далее вследствие ослабления связи с АПБ переносится на кофермент А:

R–СS–АПБ + НS–КоА  R–СS–КоА + НS–АПБ

|| ||

О О

ацил-АПБ ацил-КоА

Длина синтезированной углеводородной цепи жирной кислоты определяется природой ферментного комплекса синтетазы жирных кислот, которая зависит от генотипа организма. Как видно, в указанных ранее реакциях синтез жирной кислоты происходит в результате переноса на восстановленный акцептор двууглеродного фрагмента от малонил-АПБ, имеющего трёхуглеродный радикал. При этом каждый такой перенос сопровождается выделением СО₂. Вначале акцептором двууглеродного фрагмента служит ацетил-АПБ, затем бутирил-АПБ, гексаноил-АПБ и т. д. В общем виде ход удлинения углеродной цепи жирной кислоты в процессе её синтеза можно показать в виде следующей схемы:

С₂ + С₃  С₄ + С₁

С₄ + С₃  С₆ + С₁

С₆ + С₃  С₈ + С₁ и т.д.

Согласно такой схеме синтеза в образующихся жирных кислотах всегда содержится чётное число углеродных атомов.

Учитывая, что исходным веществом для синтеза жирных кислот является ацетил-КоА и на отдельных этапах синтеза используются молекулы АТФ (при образовании малонил-КоА), восстановленных динуклеотидов НАДФ  Н и воды, суммарное уравнение синтеза насыщенной жирной кислоты на примере пальмитиновой кислоты можно записать следующим образом:

8СН₃–СS–КоА + 7АТФ + 14НАДФ  Н + 14Н⁺ + Н₂О 

||

О

 СН₃(СН₂СН₂)₇СООН + 8НS–КоА + 7АДФ + 7Н₃РО₄ + 14НАДФ⁺

В ходе синтеза молекулы пальмитиновой кислоты 7 раз осуществляется перенос на акцептор двууглеродного фрагмента от малонил-АПБ, при образовании каждой молекулы которого происходит гидролиз АТФ. При этом на каждом этапе процесса удлинения углеводородной цепи жирной кислоты дважды повторяются реакции восстановления с участием восстановленных динуклеотидов НАДФ  Н.

У растений, животных и бактерий преобладают жирные кислоты с чётным числом углеродных атомов. Однако, в клетках некоторых бактерий в значительном количестве синтезируются жирные кислоты с нечётным числом углеродных атомов. Это обусловлено тем, что в клетках бактерий наряду с ацетилкоферментом А важным ключевым метаболитом является пропионилкофермент А, который вместо ацетил-КоА может связываться с ацилпереносящим белком и вступать во взаимодействие с малонил-АПБ, образуя пятиуглеродное 3-оксопроизводное:

СН₃–СН₂–СS–АПБ + НООС–СН₂–СS–АПБ 

|| ||

О О

пропионил-АПБ малонил-АПБ

 СН₃–СН₂–С–СН₂–СS–АПБ + НS–АПБ + СО₂

|| ||

О О

3-оксопентаноил-АПБ

Затем пятиуглеродное 3-оксопроизводное восстанавливается, проходя такие же стадии превращений, которые представлены в реакциях (5–6) синтеза жирных кислот с участием ферментного комплекса синтетазы жирных кислот. Восстановленный пятиуглеродный фрагмент далее становится акцептором нового двууглеродного фрагмента от малонил-АПБ, после чего снова проходят восстановительные реакции, приводящие к синтезу семиуглеродного восстановленного фрагмента, который снова становится акцептором следующего двууглеродного фрагмента и т. д. Из представленного механизма синтеза видно, что на конечном этапе образуется восстановленная углеводородная цепь жирной кислоты с нечётным числом углеродных атомов. Синтез жирной кислоты с нечётным числом углеродных атомов можно представить в виде следующей схемы:

С₃ + С₃  С₅ + С₁

С₅ + С₃  С₇ + С₁

С₇ + С₃  С₉ + С₁ и т.д.

В составе некоторых разновидностей липидов бактерий, птиц и растений найдены жирные кислоты, имеющие в углеродной цепи боковые ответвления. Как установлено, такие жирные кислоты могут синтезироваться с участием в качестве акцептора двууглеродных фрагментов разветвлённых ацильных производных, образующихся при распаде аминокислот с разветвлённой углеродной цепью – валина, лейцина, изолейцина.

Универсальным донором разветвлённых ацильных радикалов при синтезе жирных кислот является пропионилкофермент А, который, подвергаясь карбоксилированию, превращается в метилмалонилкофермент А:

СН₃

|

СН₃–СН₂–СS–КоА+СО₂+Н₂О+АТФНООС–СН–СS–КоА+АДФ+Н₃РО₄

|| ||

О О

пропионил-КоА метилмалонил-КоА

Затем ацильный радикал метилмалонил-КоА переносится на ацилпереносящий белок ферментного комплекса синтетазы жирных кислот и участвует далее в синтезе жирных кислот в качестве донора разветвлённого ацильного радикала:

СН₃

|

СН₃–СН₂–СS–АПБ + НООС–СН–СS–АПБ 

|| ||

О О

пропионил-АПБ метилмалонил-АПБ

СН₃

|

 СН₃–СН₂–С–СН–СS–АПБ + НS–АПБ + СО₂

|| ||

О О

разветвлённое 3-оксопроизводное

После восстановления разветвлённого оксопроизводного образуется восстановленный ацильный радикал, имеющий боковое метильное ответвление у второго углеродного атома. Он служит далее акцептором следующего двууглеродного фрагмента с боковым метильным радикалом, донор которого – метилмалонил-АПБ. Таким образом, с участием метилмалонильного радикала после каждого акта удлинения ацильного радикала углеродная цепь синтезируемой жирной кислоты удлиняется на два углеродных атома, а у каждого чётного углеродного атома имеется боковой метильный радикал.

Если к исходному акцептору с радикалом R происходит последовательное присоединение четырёх двууглеродных фрагментов с боковым метильным радикалом и на каждом этапе их присоединения осуществляется восстановление полученных 3-оксопроизводных, строение синтезированной жирной кислоты можно записать в виде следующей формулы:

О

8 7 6 5 4 3 2 1//

R–СН–СН₂–СН–СН₂–СН–СН₂–СН–СS–АПБ

| | | |

СН₃ СН₃ СН₃ СН₃

В составе растительных жиров и липидов клеточных мембран преобладают ненасыщенные жирные кислоты. Они синтезируются из насыщенных кислот путём их дегидрогенизации в аэробных условиях, т.е. с учас-тием кислорода. В анаэробных условиях происходит синтез насыщенных кислот. Кроме кислорода важнейшими соединениями, необходимыми для синтеза ненасыщенных жирных кислот, являются восстановленные динуклеотиды НАДФ  Н. На свету в образовании ненасыщенных кислот участвует ферредоксин.

Процесс дегидрогенизации насыщенных жирных кислот катализиру-ют ферменты оксигеназы, которые также называют десатуразами. Различают два вида десатураз I и II. Десатуразы I имеются в клетках растений, животных, грибов, простейших организмов. Они локализованы в цитозоле и способны инициировать образование олеиновой кислоты из стеариновой, образующей соединение с коферментом А – стеароил-КоА:

О

//

СН₃(СН₂)₁₆СS–КоА + НАДФ  Н + Н⁺ + О₂ 

стеароил-КоА

О

//

 СН₃(СН₂)₇СН=СН(СН₂)₇СS–КоА + НАДФ⁺ + 2Н₂О

олеоил-КоА

Синтез полиненасыщенных жирных кислот в клетках растений осу-

ществляют десатуразы II, локализованные в эндоплазматическом ретикулуме, они образуются с участием полирибосом, связанных с мембранами эндоплазматической сети. В клетках человека и животных превращения олеоил-КоА в линолеоил-КоА не происходит, поэтому полиненасыщенные жирные кислоты (линолевая, липоленовая) являются для них незаменимыми компонентами пищи.

Линолевая кислота, содержащая две двойные связи, образуется в результате дегидрогенизации олеоил-КоА по такому же механизму, как и синтез олеоил-КоА из стеароил-КоА. Далее по указанному механизму происходит дегидрогенизация линолеоил-КоА с образованием линоленоил-КоА. У животных в клетках печени в результате дегидрогенизации линолеоил-КоА синтезируется производное арахидоновой кислоты – арахи-доноил-КоА.

Поскольку для синтеза ненасыщенных жирных кислот необходимы кислород и восстановленные динуклеотиды НАДФ  Н, при недостатке последних образование данных кислот ослабляется. Так, например, происходит в условиях повышенных температур, когда снижается растворимость О₂ в жидкой физиологической среде. При избыточном азотном питании увеличивается доля восстановленных динуклеотидов НАДФ  Н, затрачиваемых на восстановление нитритов и синтез аминокислот, и они меньше участвуют в дегидрогенизации насыщенных жирных кислот, вследствие чего синтез ненасыщенных жирных кислот ослабляется.