Биохимия пособие Коновалова 2012

Образующийся в митохондриях диоксиацетоифосфат возвращает­ сяв цитозоль, где вступает в реакции специфического пути катаболизма глюкозы.

Дальнейшие превращения Зфосфоглицеринового альдегида могут быть двоякими:

1)по реакциям глюконеогенеза до глюкозо-6-фосфата и далее с образованием свободной глюкозы;

2)по реакциям гликолиза до пирувата, который затем окисляется

вобщей стадии катаболизма до С02 и Н20.

Энергетический эффект окисления глицерина до С 0 2и Н20

191

Лекция 18

ЦЕНТРАЛЬНАЯ РОЛЬ АЦЕТИЛ КоА

ВМЕТАБОЛИЗМЕ ЛИПИДОВ

1.Источники ацетил-КоА и его использование

Основными источниками ацетил-КоА служат: Р-окисление жир­ ных кислот, расщепление кетогенных аминокислот, окисление глюкозы до пирувата и окислительное декарбоксилирование его до ацетил-КоА.

Образующийся ацетил-КоА служит отправной точкой следующих важнейших метаболических путей: 1) окисление в ЦТК, 2) синтез кето­ новых тел, 3) синтез холестерина, 4) биосинтез жирных кислот.

2. Кетогенез

Л

Ацетил-КоА включается в ЦТК в условиях, когда расщепление жиров и углеводов сбалансировано. Ускоренный катаболизм жирных кислот или сниженный уровень использования углеводов (как порознь, так и в сочетании) могут приводить к накоплению ацетил-КоА и синте­ зу из него кетоновых тел: ацетоацетата, Р-гидроксибутирата и ацето­ на. Синтез кетоновых тел происходит в митохондриях печени. Ацето­ ацетат образуется из ацетил-КоА в 3 стадии. Вначале 2 молекулы аце- тил-КоА конденсируются с образованием ацетоацетил-КоА:

192

1

В норме в митохондриях печени образуется небольшое количе­ ство кетоновых тел. В печени ацетоацетат не может окислиться, по­ этому с током крови он попадает в скелетные мышцы, сердце, мозг, ко­ торые способны превращать ацетоуксусную кислоту вновь в ацетилКоА.

СН3 С СН2 СООН + сукцинил-КоА

сукцинил-КоА-ацетоацетат- трансфераза (еенет впечени)

Сукцинат +СН3 С -С Н 2—C~SKoA ацетоацетнл-КоА

1 9 3

тиолаза + HSKoA

2CH3 C~SKoA

ацетил-КоА

Таким образом, ацетоацетат в норме выполняет роль источ­ ника энергии для сердечной мышцы, скелетных мышц, мозга.

Голодание и диабет, ведущие к усиленному освобождению жир­ ных кислот из тканевых депо и к снижению метаболизма углеводов в печени, приводят к образованию такого избытка кетоновых тел, что внепеченочные ткани не справляются с их утилизацией. Это приводит к накоплению кетоновых тел в крови (кетонемия), которые обладают свойствами кислот, что снижает pH и развивается метаболический аци­ доз. При большом избытке кетоновых тел они выводятся почками, т.е. возникает кетонурия. В крайне тяжелых случаях ацетон выводится че­ рез легкие и может быть обнаружен в выдыхаемом воздухе.

3. Синтез холестерина

Холестерин может поступать с пищей или синтезироваться de novo. Синтез холестерина осуществляется в клетках почти всех органов и тканей, однако в значительных количествах он синтезируется в пече­ ни - 80%, стенке тонкой кишки —10% и коже - 5%. За сутки в организ­ ме взрослого синтезируется около 800 мг холестерина.

Синтез происходит из ацетил-КоА с затратой АТФ, в эндоплазма­ тическом ретикулуме, необходимы Mg, НАДФН2. В синтезе выделяют 3 этапа:

1 этап. Образование 5-углеродного метаболита - изопентенил (синтез изопреновых блоков).

Начало синтеза совпадает с синтезом кетоновых тел до стадии ГМГ-КоА.

с н

+ Ш к А

ГМГ-КоА

I +2НАДФН2

1 ГМГ-КоА-■редуктаза

194

1

он

С О О Н -С Н 2-С -С Н 2—СН2ОН + HSKoA +2НАДФ СН3

мевалоновая кислота

Это практически необратимая реакция лимитирует скорость син­ теза холестерина. ГМГ-КоА-редуктаза - регуляторный фермент. Ско­ рость синтеза редуктазы в печени подвержена четким суточным колеба­ ниям: максимум ее приходится на полночь и минимум на утренние ча­ сы. Активность ГМГ-КоА-редуктазы (или содержание ее в клетках печени) возрастает при действии ионизирующей радиации, введении инсулина и тиреоидных гормонов, а также при гипофизэкгомии, что приводит к усилению синтеза холестерина и повышению его уровня в крови. Напротив, угнетение синтеза холестерина, связанное с воздей­ ствием на редуктазу, отмечается при голодании, тиреоэктомии, при вве­ дении глюкагона и глюкокортикоидов, а также больших доз никотино­ вой кислоты.

В отличие от печени, в стенке тонкой кишки синтез холестерина регулируется исключительно концентрацией желчных кислот. Так, от­ сутствие желчных кислот в кишечнике при наличии желчной фистулы ведет к повышению синтеза холестерина в тонкой кишке в 5-10 раз.

Далее идет 2 фосфорилирования мевалоновой кислоты:

^ w C O z

|\— ►HjO

}изомеризация

195

Изопреновое звено схематически можно изобразить следующим образом:

фосфорилированный «хвост»

«голова»

2 этап. Конденсация изопреновых блоков в сквален (30 атомов С).

При образовании из ланостерина холестерина происходит:

1.Удаление трех мстильных групп.

2.Насыщение двойной связи в боковой цепи.

3.Перемещение двойной связи в кольце из положения 8,9 в по­ ложение 5,6.

21

Холестерин

Начиная со сквалена и кончая самим холестерином, все проме­ жуточные продукты биосинтеза нерастворимы в водной среде. Поэтому они участвуют в конечных реакциях биосинтеза холестерина, будучи связанными со стеринпереносящими белками. Это обеспечивает их рас­ творимость в цитозоле клетки и протекание соответствующих реакций.

196

►

ерИНпереносящие белки обеспечивают также перемещение холесТерина внутри клетки, что имеет важное значение для вхождения его в клеточные мембраны, окисления в желчные кислоты, превращения в ^ероидные гормоны.

Наиболее интересной находкой явилось установление того фак- ^ что пищевой холестерин угнетает синтез собственного холестерина в печени и что синтез холестерина в целом регулируется по принципу от­ рицательной обратной связи.

v Предполагается, что холестерин или продукты его окисления в клетке могут угнетать непосредственного синтез редуктазы или инду­ цировать синтез энзимов, участвующих в ее деградации. И в этом, и в другом случае тормозится восстановление ГМГ-КоА в мевалоновую кислоту, что незамедлительно сказывается на синтезе холестерина в це­ лом. В 70-е годы XX века в ряде стран (Япония, США и др.) проводился усиленных поиск лекарственных ингибиторов редуктазы, завершив­ шийся к настоящему времени большим успехом - внедрением в клини­ ческую практику соединений, известных под названием «статинов» (ловастатин, правастатин, симвастатин и др.) Эти соединения, структурно близкие лактону мевалоновой кислоты, в относительно небольших до­ зах (20-80 мг в день) эффективно снижают уровень холестерина в крови за счет угнетения его синтеза в печени на стадии превращения ГМГКоА в мевалоновую кислоту.

В 1964 г. М. Siperstein и V. Fagan показали, что в гепатоме мыши отсутствует регуляция синтеза холестерина по принципу отрицательной обратной связи, и, таким образом, синтез стерина, столь необходимого для построения мембран быстропролиферирующих раковых клеток, идет бесконтрольно. Это наблюдение оказалось справедливым и для гепатомы человека, и для некоторых других злокачественных новообра­ зований. Здесь уместно упомянуть еще об одной интересной находке: V. Huneeus и соавт. (1979) нашли, что мевалоновая кислота, помимо того, что является промежуточным продуктом в синтезе холестерина, актив­ но участвует в репликации ДНК, хотя механизм этого участия еще не ясен. Все это побудило высказать мнение, что бесконтрольное образо­ вание не только холестерина, но и мевалоната играет определенную роль в развитии злокачественной опухоли [Siperstein М., 1984].

4. Биосинтез жирных кислот

Биосинтез жирных кислот можно рассматривать как процесс, складывающийся из 3 этапов.

I- Транспорт ацетил-КоА в цитозоль из митохондрий

И.Образование малонилКоА

Ш.Конденсация этих молекул и их восстановление с образовани­

197

ем высших насыщенных жирных кислот, главным образом пальмитино­ вой.

I этап. Образование ацетил-КоА происходит в митохондриях, а их мембрана непроницаема для ацетил-КоА. Перенос ацетильных групп происходит при помощи цитрата (цитратный челночный механизм).

мит охондрии

ацетил-КоА + ЩУК

цнтратсинтаза

цитрат + HSKoA

транслоказа

цитрат + АТФ + HSKoA

цитратляаза

ацетил-КоХ + АДФ + Рн + ЩУК

ЩУК может вернуться в митохондрии с помощью своей транслоказы, но чаще она восстанавливается до малага с участием малатдегидрогеназы (МДГ):

цитозоль ЩУК + НАДН + Н+ мдг малат + НАД

Малат декарбоксилируется НАДФ-зависимой малатдегидро-

геназой (маликфермент):

мдг

Малат + НАДФ-------------►пируват + С 02 + НАДФН2

Образующийся НАДФН2 используется в дальнейшем для синтеза жирных кислот.

II этап. Ацетил-КоА карбоксилируется под действием ацетил- КоА-карбоксилазы, сложного фермента, коферментом которого служит витамин биотин.

О О

CH3-C~SK oA+C02+АТФ— ►СООН CH2 C~SKoA+ АДФ+Рн

малонилКоА

Эта реакция лимитирует скорость всего процесса синтеза жирных кислот.

III этап протекает при участии мультиферментного пальмитат-

198

янтарного комплекса. Он состоит из двух полипептидных цепей. Ка­ ждая полипептидная цепь содержит все 6 ферментов синтеза (трансацилаза кетоацилсинтаза, кетоацилредуктаза, гидратаза, еноилредуктаза, тцоэстераза). Ферменты связаны между собой ковалентными связями, ацилпереносящий белок (АПБ) является также частью полипептидной цепи, но его функция связана только с переносом ацильных радикалов. В процессе синтеза важную роль играют тиогруппы. Одна из них при­ надлежит 4-фосфопантотеину, входящему в состав АПБ (центральная) и вторая - цистеину кетоацилсинтазы (периферическая). Функциональ­ ная единица синтеза состоит из половины одного мономера, взаимодей­ ствующего с комплементарной половиной второго мономера, где цен­ тральная SH-rpynna одного мономера очень близка к периферической SH-группе другого. Т.е. на синтазном комплексе синтезируются одно­ временно 2 жирные кислоты и только димер активен. Перенос субстрата от фермента к ферменту происходит при участии АПБ.

Многие мультиферментные комплексы эукариот состоят из полифункционалъных белков, в которых различные ферменты ковалентно связано в единую полипептидную цепь. Преимущество такой организа­ ции - возможность координирования синтеза различных ферментов. Кроме того, мультиферментный комплекс, состоящий из ковалентно соединенных ферментов, является более стабильным, чем комплекс, образованный нековалентными связями.

Гибкость и максимальная длина в 20 Ангстрем фосфопантетеинилъного компонента представляются критическими для функции мультиферментного комплекса, поскольку они обеспечивают тесный контакт удлиняющейся цепи жирной кислоты с активным центром каждого фермента в комплексе. Для взаимодействия субъединиц фер­ мента с субстратом не требуется их большой структурной пере­ стройки, поскольку сам субстрат на длинном гибком плече может достигнуть каждого активного центра. Организованная структура синтетаз жирных кислот у дрожжей и высших организмов повышает общую эффективность процесса благодаря прямому переносу проме­ жуточных продуктов от одного активного центра к следующему. Реа­ гирующие соединения не разбавляются в цитозоле. Кроме того, им не нужно «находить» друг друга путем случайной диффузии. Еще одним преимуществом такого мультиферментного комплекса является то обстоятельство, что ковалентно связанные промежуточные продук­ ты изолированы и защищены от конкурирующих реакций.

199

Пояснения к реакциям Ш этапа:

1.При участии трансацилазы остатки малонила переносятся на центральную SH-группу, а ацетила - на периферическую.

2.Кетоацилсинтаза переносит ацетильный остаток с перифери­

ческой SH-группы на остаток малонила, это реакция конденсации, энер­ гия для нее освобождается при одновременном декарбоксилировании малонила.

3.Для удаления 0 2 далее проходят 3 последовательные реакции: восстановление - дегидратация —восстановление. Первая реакция вос­ становления происходит при участии кетоацилредуктазы с коферментом НАДФН2, при этом кетогруппа восстанавливается в спиртовую.

4.Удаление воды происходит при участии гидратазы.

5.Восстановление двойной связи еноилрецуктазой с коферментом НАДФН2. В результате последних трех реакций - восстановления, дегидратирования и второго восстановления - происходит превращение

2 0 0