21.4 Біосинтез холестеролу, стероїдів та ізопреноїдів

Холестеролу, без сумніву, присвячено найбільшу кількість публікацій порівняно з іншими ліпідами, що пов'язано, насамперед, з існуванням чіткої кореляції між рівнем холестеролу у крові та серцево-судинними захворюваннями. Меншою мірою згадується важлива роль холестеролу як компонента клітинних мембран та попередника стероїдних гормонів і жовчних кислот. Загалом холестерол є життєво необхідою молекулою для багатьох тварин, включно з людиною, однак він не є обов'язковим компонентом харчового раціону, оскільки всі клітини здатні синтезувати його з простих попередників.

Структура цієї 27-вуглецевої сполуки наводить на думку про складний шлях її біосинтезу. Насправді ж усі вуглецеві атоми молекули холестеролу походять від єдиного попередника - ацетату (Рис. 21-32). Основними інтермедіатами на шляху від ацетату до холестеролу є одиниці ізопрену, що використовуються також як попередники у синтезі багатьох інших природніх ліпідів. Механізм полімеризації ізопренових одиниць на усіх біосинтетичних шляхах однаковий.

Ізопрен

Спочатку ми розглянемо основні етапи біосинтезу холестеролу з ацетату, потім обговоримо особливості транспортування холестеролу у кровотоці, його поглинання клітинами, а також регуляцію синтезу у нормі та у випадку порушення його поглинання чи транспортування. Ми опишемо також інші важливі для клітини сполуки, що є похідними холестеролу, наприклад, жовчні кислоти та стероїдні гормони. Насамкінець на прикладі біоситетичних шляхів деяких з численних сполук, які також побудовані з ізопренових одиниць і початкові етапи синтезу яких однакові з етапами синтезу холестеролу, проілюструємо надзвичайну різноманітність реакцій ізопреноїдної конденсації у біосинтетичних процесах.

Холестерол утворюється з ацетил-CoA упродовж чотирьох стадій

Так само, як і довголанцюгові жирні кислоти, холестерол утворюється з ацетил-CoA, однак схема збирання молекули є зовсім іншою. Цей висновок було зроблено на підставі результатів екпериментів, у яких одній групі тварин згодовували ацетат, мічений за ¹⁴С у метильній групі, а іншій - у карбоксильній групі. Отримана інформація про включення мітки у холестерол, виділений з тварин цих двох груп ( Рис. 21-32), стала ключем до з'ясування послідовності ензиматичних етапів біосинтезу холестеролу.

Як показано на рис. 21-33, синтез холестеролу відбувається упродовж таких чотирьох стадій:  конденсації трьох одиниць ацетату з утворенням шестивуглецевої проміжної сполуки - мевалонату;  перетворення мевалонату на активовані ізопренові одиниці;  полімеризції шістьох 5-вуглецевих ізопренових одиниць з утворенням 30-вуглецевої лінійної молекули сквалену;  циклізації сквалену з формуванням чотирьох кілець стероїдного ядра. У ході подальших реакцій (окиснення, видалення або переміщення метильної групи) утворюється кінцевий продукт - холестерол.

Стадія . Синтез мевалонату з ацетату. На першій стадії біосинтезу холестеролу утворюється проміжна сполука мевалонат ( Рис. 21-34). Спочатку відбувається конденсація двох молекул ацетил-CoA і утворюється ацетоацетил-CoA, який у наступній реакції кондесується з третьою молекулою ацетил-CoA з утворенням шестивуглецевої сполуки -гідрокси--метилглутарил-CoA (ГМҐ-CoA). Першу та другу реакції каталізують тіолаза та ГМҐ-CoA-синтаза, відповідно. Цитозольна ГМҐ-CoA-синтаза, що діє на шляху біосинтезу холестеролу, відрізняється від мітохондріального ізозиму, який каталізує синтез ГМҐ-CoA на шляху утворення кетонових тіл ( див. Рис. 17-18).

Швидкість протікання першого етапу синтезу холестеролу залежить від швидкості третьої реакції - відновлення ГМҐ-CoA до мевалонату за участі двох молекул NADPH, кожна з яких віддає два електрони. Цю реакцію каталізує ензим ГМҐ-CoA-редуктаза, який є інтегральним мембранним протеїном гладкого ЕР. Як ми побачимо нижче, ця редуктаза відіграє роль основного регуляторного ензиму на шляху синтезу холестеролу.

Стадія . Перетворення мевалонату на дві активовані ізопренові одиниці. На наступій стадії синтезу холестеролу відбувається перенесення трьох фосфатних груп від трьох молекул АТР на мевалонат ( Рис. 21-35). Фосфатна група, приєднана до гідроксильної групи атома С-3 мевалонату у складі проміжного продукту 3-фосфо-5-пірофосфомевалонату, здатна легко заміщатися; на наступному етапі реакції ця фосфатна група разом з розміщеною поряд карбоксильною групою видаляються, внаслідок чого у складі утвореної п'ятивуглецевої сполуки ³-ізопентенілпірофосфату виникає подвійний зв'язок. Так утворюється перша з двох активованих ізопренових одиниць, необхідних для синтезу холестеролу. У реакції ізомеризації ³-ізопентенілпірофосфату утворюється друга активована ізопренова одиниця - диметилалілпірофосфат. Синтез ізопентенілпірофосфату у цитоплазмі рослинних клітин здійснюється таким же шляхом, однак у хлоропластах рослин та у багатьох бактеріальних клітинах синтез холестеролу іде шляхом, який не потребує мевалонату. У тваринних організмах такий альтернативний шлях не виявлено, тому він є перспективною мішенню для розробки нових антибіотиків.

Стадія . Конденсація шести активованих ізопренових одиниць з утворенням сквалену. На цій стадії молекули ізопентенілпірофосфату та диметилалілпірофосфату конденсуються за принципом "голова до хвоста" з вивільненням однієї пірофосфатної групи. Так утворюється 10-вуглецевий ланцюг ґеранілпірофосфату ( Рис. 21-36). (Роль "голови" молекули виконує той її кінець, до якого приєднаний пірофосфат). Далі молекула геранілпірофосфату конденсується за принципом "голова до хвоста" ще з однією молекулою ізопентілпірофосфату з утворенням 15-вуглецевої проміжної сполуки фарнезилпірофосфату. Зрештою, дві молекули фарнезилпірофосфату з’єднуються "голова до голови" з вивільненням двох пірофосфатних груп, внаслідок чого утворюється сквален.

Загальні назви цих сполук походять від джерела, з якого їх було вперше виділено. Так, ґераніол, один з компонентів трояндової олії, має запах ґерані, а фарнезол - запах сполук, виявлених у квітах акації Farnese. Більшість природних ароматизаторів рослинного походження синтезуються саме з ізопренових одиниць. У складі сквалену, вперше виділеного з печінки акули (роду Squalus), міститься 30 вуглецевих атомів - 24 в основному ланцюзі і 6 - у складі метильних груп відгалужень.

Стадія . Перетворення сквалену на стероїдне ядро, яке складається з чотирьох конденсованих кілець. Якщо молекулу сквалену зобразити так, як на рис. 21-37, то стає зрозумілим спосіб перетворення її лінійної стуктури на циклічну, характерну для стеролів. Усі стероли мають у своєму складі чотири конденсовані кільця, що утворюють стероїдне ядро, і усі вони є спиртами, що містять гідроксильну групу біля атома С-3, чим і пояснюється назва "стероли". Перед тим, як відбудеться циклізація, до кінця ланцюга сквалену під дією ензиму скваленмонооксигенази приєднується один атом кисню зі складу О₂, внаслідок чого утворюється епоксид. Цей ензим є ще одним представником оксидаз зі змішаною функцією ( Додаток 21-1); другий атом кисню зі складу О₂ відновлюється до Н₂О за участі NADPH. Подвійні зв'язки у складі продукту - сквален-2,3-епоксиду – розташовані так, що внаслідок надзвичайно узгодженої реакції лінійний епоксид сквалену може перетворитися на циклічну структуру. У тваринних клітинах продуктом такої циклізації є ланостерол, що містить чотири кільця, типові для стероїдного ядра. Для перетворення ланостеролу на холестерол необхідно приблизно 20 послідовних реакцій, у ході яких відбувається як переміщення, так і видалення певних метильних груп. Розшифровку цього незвичного біосинтетичного шляху, одного із найскладніших з усіх відомих, здійснили наприкінці 1950-х років Конрад Блох, Феодор Лінен, Джон Корнфорт та Джордж Поп’як.

Холестерол - це стерол, характерний для тваринних клітин; у клітинах рослин, грибів та найпростіших утворюються інші, близькі за будовою стероли, синтез яких до стадії утворення сквален-2,3-епоксиду відбувається тим же шляхом, що і синтез холестеролу. Після цієї стадії шляхи синтезу розходяться і їхніми кінцевими продуктами є стероли інших типів, наприклад, стигмастерол у багатьох видів рослин або ергостерол у грибів ( Рис. 21-37).

Конрад Блох

1912-2000

Феодор Лінен

1911-1979

Джон Корнфорт

Джордж Поп’як

Шляхи перетворення холестеролу

У вищих тварин синтез холестеролу відбувається переважно у печінці. Невелика частина утвореного у печінці холестеролу включається до складу мембран гепатоцитів, а більша частина експортується у вигляді однієї з трьох форм: холестеролу жовчі, жовчних кислот, або холестерилових ефірів. Жовчні кислоти та їхні солі - це відносно гідрофільні похідні холестеролу, що синтезуються у печінці та забезпечують перетравлення ліпідів ( див. рис. 17-1). Холестерилові ефіри утворюються у печінці під дією ацил-CoA-холестеролацилтрансферази (АХАТ). Цей ензим каталізує перенесення залишку жирної кислоти від коензиму А на гідроксильну групу холестеролу (Рис. 21-38), перетворюючи холестерол на більш гідрофобну сполуку. Холестерилові ефіри транспортуються у складі ліпопротеїнових частинок до інших тканин, що використовують холестерол, або ж зберігаються у печінці.

Усі тваринні тканини, що ростуть, потребують холестеролу для утворення мембран. У деяких органах (наприклад, у наднирникових та статевих залозах) холестерол використовується як попередник у синтезі стероїдних гормонів (див. нижче). Холестерол є також попередником вітаміну D ( див. рис. 10-20а).

Холестерол та інші ліпіди переносяться ліпопротеїнами плазми крові

Холестерол і холестерилові ефіри, так само як триацилгліцероли і фосфоліпіди, практично нерозчинні у воді, але у процесі функціонування вони повинні переміщатися від тканини, де відбувається їхній синтез, до тканин, у яких вони запасаються або споживаються. Для цього вони переносяться у кровоносному руслі у вигляді ліпопротеїнів плазми - макромолекулярних комплексів, до складу яких входять специфічні протеїни-переносники, що носять назву аполіпопротеїни, а також фосфоліпіди, холестерол, холестерилові ефіри та триацилгліцероли у різних співвідношеннях.

Аполіпопротеїни ("апо" означає протеїн у незв'язаній з ліпідами формі) об’єднуються з ліпідами з утворенням ліпопротеїнових частинок декількох класів. Ліпопротеїнові частинки мають форму сфери, всередині якої знаходяться гідрофобні ліпіди, а на поверхні - гідрофільні бічні ланцюги амінокислотних залишків (Рис. 21-39а). Унаслідок різних поєднань ліпідів та протеїнів утворюються частинки, що розрізняються за щільністю, - від хіломікронів до ліпопротеїнів високої щільності. Їх можна розділити методом ультрацентрифугування ( Табл. 21-2) та розглянути під електронним мікроскопом ( Рис. 21-39б).

Кожний клас ліпопротеїнів виконує специфічну функцію, яка визначається місцем його синтезу, складом ліпідів та вмістом аполіпопротеїну. У складі ліпопротеїнів плазми людини виявлено принаймні дев'ять аполіпопротеїнів ( Табл. 21-3), які відрізняються за розміром, специфічністю до антитіл та розподілом поміж ліпопротеїнами різних класів. Ці протеїнові компоненти діють як сигнали, які спрямовують ліпопротеїни до певних тканин, або активують ензими, що діють на ліпопротеїни.

Хіломікрони, які ми розглядали у Розділі 17 у зв’язку з переміщенням харчових триацилгліцеролів від кишковика до інших тканин, є найбільшими ліпопротеїнами з найнижчою щільністю та високим вмістом триацилгліцеролів (див. Рис. 17-2). Синтез хіломікронів відбувається в ЕР епітеліальних клітин, що вистилають тонкий кишковик, далі вони переміщаються спочатку у лімфатичну систему, а потім через ліву підключичну вену - у кровоносне русло. Аполіпопротеїни хіломікронів включають апоВ-48 (який зустрічається у ліпопротеїнах лише цього класу), апоЕ та апоС-ІІ ( табл. 21-3). АпоС-ІІ активує ліпопротеїнліпазу у капілярах жирової тканини, серця, скелетних м'язів та молочних залоз ссавців, тим самим забезпечуючи вивільнення жирних кислот зі складу хіломікронів та їх надходження до цих тканин. Отже, хіломікрони доставляють харчові жирні кислоти до тканин, де вони або споживаються, або зберігаються як енергетичне «паливо» (Рис. 21-40). Хіломікронні залишки (інша назва - «відбитки»), які втратили більшість триацилгліцеролів, але все ще містять холестерол, апоЕ та апоВ-48, потрапляють з кровотоком у печінку. Рецептори клітин печінки зв'язують апоЕ хіломікронних залишків і опосередковують їх поглинання шляхом ендоцитозу. У печінці хіломікронні залишки вивільняють холестерол і зазнають деградації у лізосомах.

Якщо вміст жирних кислот у харчовому раціоні перевищує кількість, необхідну для безпосереднього задоволення енергетичних потреб клітини, то їх надлишок перетворюється у печінці на триацилгліцероли, які разом із специфічними аполіпопротеїнами формують ліпопротеїни дуже низької щільності (ЛПДНЩ). Надлишок харчових вуглеводів також може перетворюватися у печінці на триацилгліцероли та експортуватися у вигляді ЛПДНЩ (рис. 21-40а). Окрім триацилгліцеролів, ЛПДНЩ містять певну кількість холестеролу і холестерилових ефірів, а також апоВ-100, апоС-І, апоС-ІІ, апоС-ІІІ та апоЕ ( табл. 21-3). З печінки ці ліпопротеїни транспортуються кровотоком до жирової та м'язової тканин, де під дією апоС-ІІ відбувається активація ліпопротеїнліпази, яка вивільнює жирні кислоти зі складу триацилгліцеролів ЛПДНЩ. Поглинаючи вивільнені жирні кислоти, адипоцити знову перетворюють їх на триацилгліцероли та зберігають у вигляді жирових краплин всередині клітин; на відміну від адипоцитів, міоцити використовують жирні кислоти переважно для окиснення та здобування енергії. Більшу частину залишків ЛПДНЩ видаляють з кровотоку гепатоцити. Як і у випадку хіломікронів, поглинання ЛПДНЩ опосередковують рецептори і залежить цей процес від наявності апоЕ у складі залишків ЛПДНЩ ( у Додатку 21-3 описано зв'язок між апоЕ та хворобою Альцгаймера).

По мірі втрати триацилгліцеролів частина ЛПДНЩ перетворюється на залишки цих ліпопротеїнів ( які інакше називають ліпопротеїнами проміжної щільності, ЛППЩ), а згодом - на ліпопротеїни низької щільності (ЛПНЩ, табл. 21-2). Ці ліпопротеїни значною мірою збагачені на холестерол та холестерилові ефіри, головним аполіпопротеїном у їхньому складі є апоВ-100. ЛПНЩ переносять холестерол до позапечінкових тканин, що містять специфічні рецептори на плазматичній мембрані, які розпізнають апоВ-100 Ці рецептори опосередковують поглинання холестеролу та холестерилових ефірів за механізмом, описаним нижче.

Ліпопротеїни четвертого типу, а саме ліпопротеїни високої щільності (ЛПВЩ) формуються у печінці та у тонкому кишковику у вигляді невеликих, збагачених на протеїни частинок, що містять порівняно незначну кількість холестеролу та холестерилових ефірів ( Рис. 21-40). До складу ЛПВЩ входять апоА-І, апоС-І, апоС-ІІ та інші аполіпопротеїни (Табл. 21-3), а також ензим лецитин-холестеролацилтрансфераза (ЛХАТ), який каталізує реакцію утворення холестерилових ефірів з лецитину (фосфатидилхоліну) та холестеролу ( Рис. 21-41). ЛХАТ, розташована на поверхні незрілої (новоутворюваної) частинки ЛПВЩ, перетворює холестерол та фосфатидилхолін, що містяться у складі хіломікронів та залишків ЛПДНЩ, на холестерилові ефіри, які починають формувати серцевину ЛПВЩ, перетворюючи дископодібні незрілі ЛПВЩ на їх зрілі, сферичні частинки. Ці збагачені на холестерол ліпопротеїни знову повертаються у печінку, де вивільняється холестерол; деяка частина цього холестеролу перетворюється на жовчні солі.

‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑

Додаток 21-3 Біохімія у медицині

Алелі гену апоЕ визначають ймовірність розвитку хвороби Альцгаймера

У популяції людей виявлено три поширені варіанти, або алелі, гену, що кодує аполіпопротеїн Е. Найпоширенішою є алель АPОЕ3, на яку припадає приблизно 78% від усіх алелей апоЕ людини; частка АPОЕ4 та АPОЕ2 складає 15% та 7% відповідно. Алель АPОЕ4 найчастіше зустрічається у людей з хворобою Альцгаймера, таку особливість можна використовувати для передбачення цієї хвороби. Ризик захворіти у похилому віці на хворобу Альцгаймера в осіб, які успадкували алель АРОЕ4, досить висока. У людей, гомозиготних за алеллю АРОЕ4, вірогідність розвитку хвороби зростає у 16 разів, а її ознаки виявляються у віці до 70 років. У людей, які успадкували дві копії АРОЕ3, хвороба виявляється пізніше - у середньому після 90 років.

Молекулярна основа взаємозв'язку між ліпопротеїном апоЕ4 та хворобою Альцгаймера залишається невідомою. Припускають, що апоЕ відіграє певну роль у стабілізації структури цитоскелету нейронів. Це припущення грунтується на тому, що протеїни апоЕ2 та апоЕ3 здатні зв'язуватися з численними протеїнами, асоційованими з нейрональними мікротрубочками, тоді як апоЕ4 такої здатності не виявляє. Можливо, саме через це прискорюється загибель нейронів. Яким би не виявився справжній механізм дії апоЕ, ці спостереження сприяють поглибленню наших уявлень про біологічні функції аполіпопротеїнів.

‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑

ЛПВЩ можуть поглинатися гепатоцитами шляхом опосередкованого рецепторами ендоцитозу, але принаймні деяка частина холестеролу, що міститься у складі ЛПВЩ, доставляється до інших тканин за допомогою нещодавно відкритого механізму. Було показано, що ЛПВЩ можуть зв'язуватися з рецепторними протеїнами, які носять назву SR-BІ і локалізовані у плазматичній мембрані клітин печінки та стероїдогенних тканин, зокрема наднирників. Ці рецептори опосередковують не ендоцитоз, а селективне перенесення холестеролу та інших ліпідів від ЛПВЩ до клітин. Збіднілі на ліпіди ЛПВЩ розпадаються і рециркулюють у кровоносному руслі, де поновлюють свій запас ліпідів за рахунок хіломікронів та залишків ЛПДНЩ. Вони можуть також захоплювати холестерол, що зберігається у позапечінкових тканинах, та переносити його до печінки шляхами зворотного транспорту холестеролу (рис. 21-40). Один із шляхів зворотного транспорту полягає у тому, що взаємодія незрілих ЛПВЩ з рецепторами SR-BI у збагачених на холестерол клітинах ініціює пасивне переміщення холестеролу від клітинної поверхні до ЛПВЩ, у складі яких холестерол повертається назад у печінку. За другим шляхом протеїн апоА-І у складі збіднілих на ліпіди ЛПВЩ взаємодіє з активним транспортером - протеїном АВС1, що міститься у збагаченій на холестерол клітині. АпоА-І (і, очевидно, ЛПВЩ) поглинається шляхом ендоцитозу, а потім знову секретується вже разом з холестеролом, який транспортується до печінки.

Протеїн АВС1 є представником великої родини транспортерів для видалення багатьох ліків (англ.- multidrug transporters), іноді їх називають АВС-транспортерами, оскільки вони містять домени, які зв'язують АТР (англ. - ATP-binding cassettes); у структурі цих протеїнів також є два трансмембранних домени з шістьма трансмембранними спіралями (Розділ 11). АВС-протеїни здійснюють активний транспорт різноманітних іонів, амінокислот, вітамінів, стероїдних гормонів та жовчних солей через плазматичну мембрану. Іншим представником родини АВС-транспортерів є протеїн CFTR, його генетичний дефект спричиняє захворювання на кістозний фіброз ( Див. додаток 11-3).

Холестерилові ефіри поступають у клітини шляхом опосередкованого рецепторами ендоцитозу

Кожна частинка ЛПНЩ, що переміщується з кровотоком, містить у своєму складі ліпопротеїн апоВ-100, який розпізнають специфічні поверхневі рецепторні протеїни - рецептори ЛПНЩ, розташовані на тих клітинах, які потребують надходження холестеролу. Зв'язування ЛПНЩ з їхнім рецептором ініціює ендоцитоз, у ході якого у клітині формується ендосома з ЛПНЩ та рецептором всередині (Рис. 21-42). Ендосома зрештою зливається з лізосомою, що містить ензими, які гідролізують холестерилові ефіри і вивільняють холестерол та жирні кислоти у цитозоль. Наявний у складі ЛПНЩ апоВ-100 також деградує до амінокислот, які вивільняються у цитозоль, проте рецептор ЛПНЩ уникає деградації і повертається на поверхню клітини, де знову бере участь у поглинанні ЛПНЩ. АпоВ-100 входить також до складу ЛПДНЩ, однак його рецептор-зв'язувальний домен недоступний для зв'язування з рецептором ЛПНЩ. Але коли ЛПДНЩ перетворюється на ЛПНЩ, то рецептор-зв'язувальний домен апоВ-100 відкривається і стає доступним. Цей шлях транспортування холестеролу у кров та механізм опосередкованого рецептором ендоцитозу у тканинах-мішенях з'ясували Мішель Браун та Джозеф Ґольдштейн.

Мішель Браун та Джозеф Ґольдштейн

Холестерол, що поступає у клітини цим шляхом, або включається до складу мембран, або ж за участі АХАТ реетерифікується ( Рис. 21-38) і зберігається всередині жирових краплин у цитозолі. Якщо ЛПНЩ доставляють у кров достатню кількість холестеролу, то швидкість синтезу його знижується і надлишку холестеролу всередині клітини не накопичується.

Рецептор ЛПНЩ може зв’язуватися також і з апоЕ, а тому відіграє важливу роль у поглинанні клітинами печінки хіломікронів та залишків ЛПДНЩ. Однак якщо рецепторів ЛПНЩ у клітині немає (як, наприклад, у лініях мишей, позбавлених гену цього рецептора), то печінка не здатна поглинати ЛПНЩ, але поглинає залишки ЛПДНЩ та хіломікрони. Цей факт свідчить про існування резервної системи для забезпечення опосередкованого рецепторами ендоцитозу залишків ЛПДНЩ та хіломікронів. Одним із таких резервних рецепторів є протеїн, споріднений з рецептором ліпопротеїнів (ПРЛ), здатний зв’язуватися як з апоЕ, так і низкою інших лігандів.

Біосинтез холестеролу регулюється на декількох рівнях

Синтез холестеролу - це складний і енерговитратний процес, тому організм змушений регулювати швидкість біосинтезу холестеролу залежно від його надходження з їжею. У ссавців біосинтез холестеролу регулюють концентрація внутрішньоклітинного холестеролу, а також гормони глюкагон та інсулін. Етапом, що обмежує швидкість синтезу холестеролу (і головним пунктом регуляції), є перетворення ГМҐ-CoA (β-гідрокси-β-метилглутарил-CoA) на мевалонат під дією ГМҐ-CoA- редуктази ( Рис. 21-34).

Регуляція біосинтезу холестеролу залежно від його концентрації опосередковується тонкою системою контролю транскрипції гену, що кодує ГМҐ-CoA- редуктазу. Транскрипція цього гену, разом із ще понад 20 іншими генами, що кодують ензими, відповідальні за поглинання і синтез холестеролу та ненасичених жирних кислот, контролюється невеликою родиною протеїнів, яку називають «протеїнами, що зв'язуються зі стероловими регуляторними елементами» (англ. SREBPs, від sterol regulatory element-binding proteins). Новосинтезовані молекули цих протеїнів відразу вбудовуються у мембрану ЕР. Активатором транскрипції є лише розчинний амінокінцевий домен протеїну, і функціонує він за механізмом, описаним у розділі 28. Однак доки цей домен перебуває у складі молекули SREBP, він не має доступу до ядра і не може брати участі в активації транскрипції гену ГМҐ-CoA-редуктази та інших генів. Лише після протеолітичного розщеплення молекули SREBP він вивільняється і стає транскрипційно активним. Якщо рівень холестеролу у клітині високий, SREBP перебувають у неактивному стані завдяки зв'язуванню в ЕР з іншим протеїном, названим «протеїном, що активує розщеплення SREBP» (SCAP, від англ. SREBP cleavage-activating protein, рис. 21-43). Саме SCAP зв'язує холестерол та інші стероли, виконуючи роль їхнього сенсора. Припускають, що за високої концентрації стеролів комплекс SCAP-SREBP взаємодіє ще з одним протеїном, який і утримує його у мембрані ЕР. Коли рівень стеролів у клітині падає, конформація SCAP змінюється, що спричиняє від’єднання комплексу SCAP-SREBP від протеїну, який утримує його в ЕР; вивільнений комплекс мігрує у складі везикули до комплексу Гольджі, де SREBP послідовно розщеплюється двома різними протеазами. Після другого розщеплення молекули її амінокінцевий домен вивільняється у цитозоль, переміщається до ядра і активує транскрипцію генів-мішеней. Амінокінцевий домен SREBP має короткий період напівжиття і зазнає швидкої деградації протеасомами ( див. Рис. 27-42). Якщо рівень стеролів достатньо підвищився, то протеолітичне вивільнення амінокінцевого домену SREBP знову блокується, а наявні активні домени розщеплюються протеосомами, внаслідок чого транскрипція генів-мішеней швидко припиняється.

Синтез холестеролу регулюється також за допомогою декількох інших механізмів ( Рис. 21-44). Гормональна регуляція здійснюється шляхом ковалентної модифікації ГМҐ-CoA- редуктази. Цей ензим може існувати у двох формах - фосфорильованій ( неактивній) та дефосфорильованій (активній). Глюгакон стимулює фосфорилювання ензиму ( тобто його інактивацію), а інсулін прискорює дефосфорилювання, тим самим активуючи ензим та посилюючи синтез холестеролу. За високих концентрацій холестеролу у клітині відбувається активація АХАТ, внаслідок чого прискорюється утворення ефірів холестеролу, які відкладаються у запас. Окрім того, високі концентрації холестеролу пригнічують транскрипцію гену, що кодує рецептор ЛПНЩ, внаслідок чого синтез рецептора, а, отже, і поглинання холестеролу з крові, уповільнюються.

Знак Порушення регуляції біосинтезу холестеролу може призвести до тяжких захворювань людини. Якщо сумарна кількість синтезованого та отриманого з їжею холестеролу перевищує кількість, необхідну для синтезу мембран, жовчних солей та стероїдів, то у кровоносних судинах може відбуватися патологічне накопичення холестеролу (формування атеросклеротичних бляшок), що спричиняє їхню закупорку (атеросклероз). Зумовлена звуженням вінцевих артерій серцева недостатність є головною причиною смерті людей в індустріально розвинених країнах. Виникнення атеросклерозу пов'язують з високим рівнем у крові холестеролу, зокрема, холестеролу у складі ЛПНЩ. Між рівнем ЛПВЩ та розвитком артеріальних захворювань існує негативна кореляція.

У випадку генетичного захворювання, що носисть назву родинна гіперхолестеролемія, рівень холестеролу у крові є особливо високим, а тяжка форма атеросклерозу виникає ще у дитинстві. У таких хворих дефектним є рецептор ЛПНЩ, тому холестерол, що переноситься ЛПНЩ, не поглинається шляхом опосередкованого рецепторами ендоцитозу, а накопичується у крові і призводить до утворення атеросклеротичних бляшок. За таких умов синтез ендогенного холестеролу продовжується, незважаючи на його надмірний вміст у крові, оскільки позаклітинний холестерол не може потрапити у клітину та вплинути на швидкість синтезу внутрішньоклітинного холестеролу ( Рис. 21-44). Для лікування хворих на родинну гіперхолестеролемію застосовують препарати ловастатин та компактин, які отримують з грибів. Обидві сполуки, так само, як і їх синтетичні аналоги, за структурою подібні до мевалонату ( Рис. 21 – 45) і є конкурентними інгібіторами ГМҐ-CoA-редуктази, а, отже, і синтезу холестеролу. У хворих, що є носіями однієї дефектної копії гену рецептора ЛПНЩ, лікування ловастатином знижує рівень холестеролу у крові майже на 30%. Ефективність дії препарату значно зростає, якщо одночасно вводити у дієту харчовий полімер, який зв’язує жовчні кислоти та запобігає їх реабсорбції з кишковика.

У людей зі спадковою недостатністю ЛПВЩ рівень їх дуже низький, а у людей, вражених хворобою Танжера, ЛПВЩ у крові взагалі не виявляються. Обидві спадкові хвороби є результатом мутацій гену протеїну АВС1. Збіднені на холестерол ЛПВЩ не здатні поглинати його з клітин, що не містять протеїну АВС1, а тому такі ЛПВЩ швидко видаляються з крові та розщеплюються. Обидва захворювання, як спадкова недостатність ЛПВЩ, так і хвороба Танжера, зустрічаються дуже рідко ( у світі виявлено менше, ніж 100 родин, вражених хворобою Танжера). Проте саме завдяки існуванню цих хвороб було встановлено роль протеїну АВС1 у регуляції рівня ЛПВЩ у плазмі крові. Оскільки низький рівень ЛПВЩ у плазмі корелює з високою ймовірністю виникнення захворювань вінцевих артерій, то не виключено, що саме протеїн АСВ1 виявиться придатною мішенню для розробки препаратів, призначених для контролю рівня ЛПВЩ.

Стероїдні гормони утворюються шляхом відщеплення бічного ланцюга та окиснення холестеролу

Усі стероїдні гормони в організмі людини утворюються з холестеролу ( рис. 21-46). У корі наднирників синтезуються стероїдні гормони двох класів: мінералокортикоїди, які контролюють реабсорбцію нирками неорганічних іонів ( Na⁺, Cl^- і HCO^-₃), та глюкокортикоїди, які допомагають регулювати глюконеогенез та пригнічують запальні процеси. Статеві гормони утворюються у чоловічих та жіночих статевих залозах і у плаценті. Це прогестерон, який регулює репродуктивний цикл у жіночому організмі, а також андрогени ( наприклад, тестостерон) та естрогени (наприклад, естрадіол), які впливають на розвиток вторинних статевих ознак у чоловічому та жіночому організмах, відповідно. Стероїдні гормони діють у дуже низьких концентраціях і тому синтезуються у порівняно малих кількостях. На їх синтез, на відміну від синтезу жовчних солей, витрачається незначна кількість холестеролу.

Прогестерон

Для того, щоб синтезувати стероїдні гормони, необхідно частково або повністю видалити вуглецеві атоми "бічного ланцюга", розміщеного біля атома С-17 у кільці D молекули холестеролу. Видалення бічного ланцюга здійснюється у мітохондріях тих тканин, де синтезуються стероїдні гормони. Спочатку відбувається гідроксилювання двох суміжних атомів вуглецю ( С-20 та С-22) у складі бічного ланцюга, а потім – розщеплення зв’язку між ними ( Рис. 21- 47). Необхідною стадією у синтезі багатьох гормонів є введення атомів кисню до складу молекули. Усі реакції гідроксилювання та оксигенації на шляху біосинтезу стероїдів каталізують оксидази зі змішаною функцією ( Додаток 21-1), які для цього використовують NADPH, О₂ та мітохондріальний цитохром Р-450.

Альтернативні перетворення проміжних продуктів біосинтезу холестеролу

Ізопентілпірофосфат виконує роль не тільки проміжного метаболіту у біосинтезі холестеролу, але й активованого попередника у синтезі багатьох біомолекул, що виконують різноманітні біологічні функції ( Рис. 21-48). До таких молекул належать вітаміни А, Е та К; рослинні пігменти, такі як каротин та фітоловий ланцюг хлорофілу; природні смоли; ефірні олії (наприклад, запашні складові лимонної, евкаліптової, мускусної ефірних олій); ювенільний гормон комах, який контролює метаморфоз; доліхоли, що функціонують як жиророзчинні переносники у процесі синтезу складних полісахаридів; убіхінон та пластохінон – переносники електронів у мітохондріях і хлоропластах. Загалом ці молекули називають ізопреноїдами. Усього відкрито понад 20000 різноманітних природних ізопреноїдів і кожного року до них додаються сотні нових молекул.

Похідні ізопрену використовуються також у реакції пренилювання протеїнів, яка полягає у ковалентному приєднанні ізопреноїдного залишку (див. рис. 27-30). Це поширений механізм, за допомогою якого протеїни закріплюються (заякорюються) на внутрішній поверхні клітинних мембран у ссавців (див. рис. 11-14). Одні типи протеїнів закріплюються за допомогою 15-вуглецевої фарнезильної групи, інші - за допомогою 20-вуглецевої ґеранілґеранільної групи. За приєднання до протеїнів ліпідів двох типів відповідають різні ензими. Припускають, що спрямування пренильованого протеїну до тієї чи іншої мембрани залежить від того, який саме ліпід приєднався. Отже, пренилювання протеїнів – це ще одна важлива функція, яку виконують похідні ізопрену, що утворюються на шляху синтезу холестеролу.

Підсумок 21.4. Біосинтез холестеролу, стероїдів та ізопреноїдів

• Холестерол утворюється з ацетил-CoA у складній послідовності реакцій, що включають проміжні продукти β-гідрокси-β-метилглутарил-CoA, мевалонат та два активовані ізопрени – диметилалілпірофосфат та ізопентенілпірофосфат. Унаслідок конденсації ізопренових одиниць утворюється лінійна молекула сквалену, яка циклізується з утворенням стероїдного кільця та бічного ланцюга.

• Синтез холестеролу перебуває під гормональним контролем, а також пригнічується високими концентраціями внутрішньоклітинного холестеролу, які діють за допомогою механізмів ковалентної модифікації і транскрипціональної регуляції.

• Холестерол та холестерилові ефіри переносяться з кровотоком у вигляді ліпопротеїнів плазми. ЛПДНЩ переносять холестерол, холестерилові ефіри та триацилгдіцероли від печінки до інших тканин, де триацилгліцероли розщеплюються ліпопротеїнліпазою, а ЛПДНЩ перетворюються на ЛПНЩ. Збагачені на холестерол та його ефіри ЛПНЩ поглинаються шляхом опосередкованого рецепторами ендоцитозу, що здійснюється за участю рецепторів плазматичної мембрани, які розпізнають аполіпопротеїн В-100 у складі ЛПНЩ. ЛПВЩ видаляють холестерол з крові і переносять його до печінки. Значні відхилення від збалансованої дієти чи генетичні дефекти метаболізму холестеролу можуть призвести до розвитку атеросклерозу та серцевих захворювань.

• Стероїдні гормони (глюкокортикоїди, мінералокортикоїди, статеві гормони) утворюються з холестеролу шляхом зміни струтури бічного ланцюга та введення атомів кисню у систему стероїдного кільця. Окрім холестеролу, з мевалонату шляхом конденсації ізопентенілпірофосфату та диметилалілпірофосфату можуть утворюватися найрізноманітніші ізопреноїдні сполуки.

• Пренилювання певних протеїнів забезпечує їхнє спрямування до різних клітинних мембран та зв’язування з ними, а також необхідне для біологічної активності протеїнів.

Основні терміни

Жирним шрифтом виділено терміни, визначення яких наведено у словнику

ацетил-CoA-карбоксилаза 787

синтаза жирних кислот 789

ацилпереносний протеїн (АПП) 790

десатураза ацил-CoA 798

оксидази зі змішаною функцією 799

оксигенази зі змішаною функцією 799

цитохром Р-450 799

незамінні жирні кислоти 800

простагландини 800

циклооксигеназа (ЦО) 800

простагландин-Н₂-синтаза 800

тромбоксансинтаза 800

тромбоксани 800

лейкотрієни 800

гліцерол-3-фосфат-дегідрогеназа 804

триацилгліцероловий цикл 806

гліцеронеогенез 806

тіазолідинедіони 807

фосфатидилсерин 811

фосфатидилгліцерол 811

фосфатидилетаноламін 811

кардіоліпін 811

фосфатидилхолін 812

плазмалоген 813

фактор активації тромбоцитів 813

цереброзид 813

сфінгомієлін 813

гангліозиди 813

ізопрен 816

мевалонат 817

β-гідрокси-β-метилглутарил-CoA ( ГМГ-CoA) 817

тіолаза

ГМГ-CoA-синтаза

ГМГ-CoA-редуктаза 817

жовчні кислоти 820

холестерилові ефіри 820

аполіпопротеїни 821

хіломікрон 821

ліпопротеїни дуже низької щільності ( ЛПДНЩ) 822

ліпопротеїни низької щільності ( ЛПНЩ) 823

ліпопротеїни високої щільності ( ЛПВЩ) 823

зворотний транспорт холестеролу 824

рецептори ЛПНЩ 824

опосередкований рецепторами ендоцитоз 824

атеросклероз 827

ловастатин 827

мінералокортикоїди 827

глюкокортикоїди 827

прогестерон 827

андрогени 827

естрогени 827

Література:

Рекомендуються також загальні посилання, наведені у розділах 10 та 17

Загальні посилання

Біосинтез жирних кисот та ейкозаноїдів

Біосинтез мембранних фосфоліпідів

Біосинтез холестеролу, стероїдів та ізопреноїдів

Завдання.

1. Шлях атомів вуглецю у процесі синтезу жирних кислот. Використовуючи ваші знання з проблеми біосинтезу жирних кислот, поясніть наступні експериментальні дані:

(а) Додавання рівномірно міченого [¹⁴С]ацетил-CoA до розчинної фракції печінки призводить до утворення рівномірно міченого за ¹⁴С пальмітату.

(б) Однак у разі додавання до розчинної фракції печінки слідової кількості рівномірно міченого [¹⁴С]ацетил-CoA у присутності надлишку неміченого малоніл-CoA, утворюється пальмітат, що містить ¹⁴С лише у положеннях С-15 та С-16.

2. Синтез жирних кислот з глюкози. Після споживання людиною великої кількості сахарози, продукти її розщеплення - глюкоза та фруктоза - накопичуються у кількостях, що перевищують енергетичні потреби організму, і, зрештою, перетворюються на жирні кислоти, які використовуються для синтезу триацилгліцеролів. Для синтезу жирних кислот необхідні ацетил-CoA, АТР та NADPH. Яким чином ці сполуки утворюються з глюкози?

3. Сумарне рівняння синтезу жирних кислот. Напишіть сумарне рівняння біосинтезу пальмітату у печінці щура за наявності мітохондріального ацетил-CoA та цитозольних NADPH, АТР і СО₂.

4. Шлях атомів водню у процесі синтезу жирних кислот. Скористаємось препаратом, що містить усі ензими та кофактори, необхідні для біосинтезу жирної кислоти з ацетил-CoA та малоніл-CoA.

(а) Скільки атомів дейтерію ( важкого ізотопу водню) включиться до складу кожної молекулу пальмітату, якщо у якості субстратів використати мічений дейтерієм ацетил-CoA ( [2-²Н]ацетил-СоА)

формула

та надлишок неміченого малоніл-CoA? У яких положеннях будуть знаходитись ці атоми? Відповідь поясніть.

(б) Скільки атомів дейтерію включиться до складу кожної молекули пальмітату, якщо у якості субстратів використати немічений ацетил-CoA та мічений дейтерієм малоніл-CoA ([2-²Н]малоніл-CoA)?

формула

У яких положеннях будуть знаходитись ці атоми? Відповідь поясніть/

5. Енергетика реакції, каталізованої β-кетоацил-АПП-синтазою. Ензим β-кетоацил-АПП-синтаза каталізує реакцію конденсації двовуглецевої та тривуглецевої одиниць ( див. Рис.21-5) з утворенням чотиривуглецевої одиниці та виділенням СО₂. У чому полягає термодинамічна перевага такої реакції порівняно з простим поєднанням двовуглецевих одиниць?

6. Модуляція активності ацетил-CoA-карбоксилази. Ацетил-CoA-карбоксилаза – це головний ензим, що регулює біосинтез жирних кислот. Деякі властивості цього ензиму наведено нижче.

(а) Додавання цитрату або ізоцитрату підвищує V_max ензиму більше, ніж у 10 разів.

(б) Ензим існує у двох формах, що значно відрізняються за активністю і можуть перетворюватися одна в одну:

Протомер (неактивний)  ниткоподібний полімер (активний)

Цитрат та ізоцитрат зв’язуються переважно з полімерною формою, а пальмітоїл-CoA – з протомерною.

Поясніть, як ці властивості пов'язані з регуляторною роллю ацетил-CoA-карбоксилази у біосинтезі жирних кислот.

7. Човниковий механізм перенесення ацетильних груп через внутрішню мітохондріальну мембрану. Ацетильна група ацетил-CoA, що утворюється внаслідок окисного декарбоксилювання пірувату у мітохондріях, переноситься до цитозолю за участю човникового механізму ( див. Рис. 21-10).

(а) Напишіть сумарне рівняння перенесення однієї ацетильної групи з мітохондрій до цитозолю.

(б) Яка кількість АТР витрачається для перенесення однієї ацетильної групи?

(в) У розділі 17 ми описали човниковий механізм перенесення ацил-CoA з цитозолю у мітохондрії для β-окиснення ( див. рис. 17-6). Одним з наслідків такого перенесення було розділення мітохондріального та цитозольного пулів CoA. Чи утворюються такі пули під час функціонування човникового механізму перенесення ацетильних груп? Відповідь поясніть.

8. Потреба десатураз у кисні. Як попередник у синтезі пальмітоолеату - поширеної ненасиченої жирної кислоти з цис-подвійним зв’язком у положенні Δ⁹ ( див. рис. 21-12), використовується пальмітат. Чи може ця реакція протікати у повністю анаеробних умовах? Відповідь поясніть.

9. Енергетична вартість синтезу триацилгліцеролів. Виходячи з сумарного рівняння біосинтезу трипальмітоїлгліцеролу (трипальмітину) з гліцеролу та пальмітинової кислоти, підрахуйте, скільки молекул АТР необхідно для утворення однієї молекули трипальмітину.

10. Обмін триацилгліцеролів у жировій тканині. У випадку додавання [¹⁴С]глюкози до харчового раціону дорослих щурів загальна кількість запасних триацилгліцеролів не підвищується, але вони стають міченими за ¹⁴С. Поясніть цей факт.

11. Енергетична вартість синтезу фосфатидилхоліну. Напишіть послідовність етапів та сумарне рівняння біосинтезу фосфатидилхоліну за “рятівним” шляхом з олеату, пальмітату, дигідроксиацетонфосфату та холіну. Скільки молекул АТР необхідно для синтезу фосфатидилхоліну вказаним шляхом, якщо почати синтез з цих попередників?

12. “Рятівний “ шлях синтезу фосфатидилхоліну. Молоді щурі, яких утримують на позбавленому метіоніну харчовому раціоні, не ростуть, допоки до раціону не буде включено холін. Дайте пояснення.

13. Синтез ізопентенілпірофосфату. До гомогенату печінки щурів, у якому іде синтез холестеролу, додали [2-¹⁴С]ацетил-CoA. Поясніть, у якому положенні Δ³-ізопентенілпірофосфату (активованої форми ізопренової одиниці) виявиться мітка ¹⁴С.

14. Роль активованих донорів у синтезі діпідів. У ході біосинтезу складних ліпідів компоненти молекули збираються шляхом перенесення відповідної групи від активованого донора. Наприклад, активованим донором ацетильних груп є ацетил-CoA. Вкажіть форму активованого донора для таких груп: (а) фосфату; (б) D-глюкозилу; (в) фосфоетаноламіну; (г) D-галактозилу; (д) метилу; (є) двовуглецевої групи, необхідної для біосинтезу жирних кислот; (ж) Δ³-ізопентілу.

15. Важливість жирів у харчуванні. Якщо молодих щурів утримувати на повністю позбавленій жирів дієті, спостерігаються затримка росту, лускоподібний дерматит, втрата волосяного покриву і, зрештою, тварини гинуть. Появі цих симптомів можна запобігти, якщо до раціону тварин включити лінолеат або рослинні продукти. Чому лінолеат є незамінною жирною кислотою? Чому його можна замінити рослинними продуктами?

16. Регуляція біосинтезу холестеролу. Потреба організму людини у холестеролі задовольняється за рахунок його постачання з їжею або синтезу de novo. У печінці дорослої людини, яка споживає харчові продукти з низьким вмістом холестеролу, щодоби синтезується приблизно 600 мг холестеролу. Якщо вміст холестеролу у раціоні зростає, синтез його de novo різко знижується. Як здійснюється така регуляція?

Рисунок 21-1. Ацетил-CoA-карбоксилазна реакція. У складі ацетил-CoA-карбоксилази виявлено три функціональні ділянки: протеїн - переносник біотину (затінено сірим); біотинкарбоксилазу, яка а АТР-залежній реакції активує СО₂ шляхом приєднання його до атома азоту біотинового кільця (див. рис. 16-16); і транскарбоксилазу, яка переносить активований СО₂ (затінено зеленим) від біотину на ацетил-CoA з утворенням малоніл-CoA. Довгий гнучкий біотиновий важіль (“рука”) переносить активований СО₂ від біотинкарбоксилазної ділянки на активний центр транскарбоксилази, як це показано на розташованих під стрілками діаграмах. Блакитним кольором затінено ензим, що каталізує відповідний етап реакції .

Біотиновий важіль бічний важіль залишку Lys- Протеїн - переносник біотину

біотинкарбоксилаза Ацетил-СоА транскарбоксилаза Малоніл-CoA

Біотинкарбоксилаза Біотин Протеїн - переносник біотину

Транскарбоксилаза Ацетил-СоА Малоніл-CoA

Рисунок 21-2. Подовження ацильного ланцюгу жирної кислоти на два вуглецеві атом: чотириетапна послідовність. Кожна малонільна група, так само, як і кожна ацетильна (або довша ацильна) група, спочатку активується з утворенням тіоефірного зв’язку, за допомогою якого ці групи приєднуються до синтази жирних кислот - мультензимного комплексу, описаного нижче у тексті.  Конденсація активованої ацильної групи (першою ацильною групою є ацетильна група ацетил-СоА) і двох атомів вуглецю, що походять з малоніл-CoA, з одночасним видаленням молекули СО₂ зі складу малонільної групи, веде до подовження ацильного ланцюга на два атоми вуглецю. Наведено механізм першого етапу цієї реакції для ілюстрації ролі декарбоксилювання у полегшенні процесу конденсації. Утворений внаслідок конденсації -кетопродукт зазнає відновлення у ході трьох наступних етапів, які майже ідентичні реакціям -окиснення, але протікають у зворотній послідовності:  -кетогруппа відновлюється до спиртової,  внаслідок видалення молекули води виникає подвійний зв’язок, який  відновлюється і утворюється ацильна група відповідної насиченої жирної кислоти.

Малонільна група

Ацетильна група (перша ацильна група)

Синтаза жирних кислот

1. конденсація

2. відновлення

3. дегідратація

4. відновлення

Насичена ацильна група, подовжена на два атоми вуглецю

Таблиця 21-1. Протеїни, що входять до складу комплексу синтази жирних кислот E. сoli

Протеїн	Функція
Ацилпереносний протеїн (АПП)	Переносить ацильні групи, приєднані тіоефірним зв’язком
Ацетил-CoA-АПП-трансацетилаза (АТ)	Переносить ацильні групи від CoA на залишок Cys у складі КС
-кетоацил-АПП-синтаза (КС)	Каталізує конденсацію ацильної та малонільної груп (існує принаймні три ізозими КС)
Малоніл-CoA-АПП-трансфераза (МТ)	Переносить малонільну групу від CoA на АПП
-кетоацил-АПП-редуктаза (КР)	Відновлює -кетогрупу до -гідроксильної групи
-гідроксиацил-АПП-дегідратаза (ГД)	Видаляє Н2О зі складу -гідроксиацил-АПП з утворенням подвійного зв’язку
Еноїл-АПП-редуктаза (ЕнР)	Відновлює подвійний зв’язок з утворенням насиченого ацил-АПП

Рисунок 21-3. Загальна схема синтезу пальмітату. Ацильний ланцюг жирної кислоти подовжується за рахунок приєднання двовуглецевих одиниць, донором яких є активований малонат, що супроводжується вивільненням СО₂. Першу ацетильну групу затінено жовтим кольором, атоми С-1 та С-2 у складі малонату – рожевим, вуглець, що вивільнюється у вигляді СО₂, – зеленим кольором. Після приєднання кожної двовуглецевої одиниці відбуваються реакції відновлення і таким способом утворюється насичена жирна кислота, яка містить спочатку чотири, потім шість, потім вісім вуглецевих атомів і т.д. Кінцевим продуктом таких перетворень є пальмітат (16:0).

Синтаза жирних кислот

приєднання ще чотирьох одиниць

Пальмітат

Рисунок 21-4. Ацилпереносний протеїн (АПП). Простетичною групою АПП є 4-фосфопантетеїн, який ковалентно зв’язується з гідроксильною групою залишку Ser. Фосфопантетеїн містить пантотенову кислоту (вітамін В), що входить також до складу молекули коензиму А. Його –SH-група слугує місцем зв’язування малонільних груп під час синтезу жирної кислоти.

Бічний ланцюг Ser

Пантотенова кислота

4-Фосфопантетеїн

Малонільні групи етерифікуються до –SH-групи

Рисунок 21-5. Послідовність реакцій упродовж синтезу жирної кислоти. Ензиматичний комплекс синтази жирних кислот наведено схематично. Кожен сегмент диску відповідає одній з шести ензиматичних активностей комплексу. У центрі знаходиться ацилпереносний протеїн (АПП), на кінці його фосфопантетеїнового “важеля” розташована ‑SH-група. Блакитним кольором позначено ензим, який каталізуватиме наступний етап процесу. Як і на рис. 21-3, перша ацетильна група затінена жовтим; атоми С-1 та С-2 у складі малонату – рожевим, а вуглець, що вивільнюється як СО₂ – зеленим кольорами. Етапи  -  описано у тексті.

На дисках від KS вправо: КС, МТ, КР, ГД, ЕнР, АТ, АПП (центр)

Ацетил-CoA

Малоніл-CoA

Комплекс синтази жирних кислот "навантажений" ацетильною та малонільною групами

1 конденсація

-кетобутирил – АПП

2 відновлення -кетогрупи

-гідроксибутирил-АПП

3 дегідратація

транс-²- Бутеноїл-АПП

4 відновлення подвійного зв’язку

Бутирил-АПП

транслокація бутирильної групи на Cys у складі -кетоацил-АПП-синтази (КС)

У центрі: КС- -кетоацил-АПП-синтаза

МТ- Малоніл-CoA-АПП-трансфераза

КР - -Кетоацил-АПП-редуктаза

ГД --гідроксиацил-АПП-дегідратаза

ЕР - Еноїл-АПП-редуктаза

АТ - Ацетил-CoA-АПП-трансацетилаза

Рисунок 21-6. Початок другого циклу реакцій синтезу жирної кислоти. Бутирильна група зв’язана з –SH-групою залишку Cys. Малонільна група, що вступає у реакцію, спочатку приєднується до фосфопантетеїнової –SH-групи. На етапі конденсації з’єднана з Cys‑SH бутирильна група заміщує карбоксильну групу у складі малонільного залишка, яка втрачається у вигляді СО₂ (затінено зеленим). Цей етап є аналогічним до етапу  на рис. 21-5. Утворений продукт, шестивуглецева -кетоацильна група, тепер містить чотири атоми вуглецю, що походять від малоніл-CoA, та два атоми вуглецю, що походять від ацетил-CoA, який першим вступив у реакцію. Далі -кетоацильна група зазнає перетворень на етапах  - , зображених на рис. 21-5.

Бутирильна група КС, МТ, КР, ГД, ЕнР, АТ, АПП

Малоніл-CoA

конденсація

-Кетоацил-АПП

Рисунок 21-7. Структура синтаз жирних кислот. Синтаза жирних кислот у бактерій та рослин - це комплекс, до складу якого входять щонайменше сім різних поліпептидів. У дріжджах усі сім активних центрів розміщені у двох поліпептидних ланцюгах, а у хребетних - в єдиному великому поліпептиді.

КС МТ КР ГД ЕнР АТ АПП

Бактерії, рослини

Сім активностей в семи окремих поліпептидах

Дріжджі

Сім активностей у двох окремих поліпептидах

Хребетні

Сім активностей в одному великому поліпептиді

Рисунок 21-8. Субклітинна локалізація метаболізму ліпідів. Клітини дріжджів і хребетних тварин відрізняються від клітин вищих рослин за особливостями компартменталізації метаболізму ліпідів. Загалом синтез жирних кислот відбувається у тому клітинному компартменті, де вміст NADРН достатній для протікання реакцій відновлювального синтезу (тобто там, де співвідношення [NADРН]/[NADР⁺] є високим). Процеси, назви яких позначено червоним, розглядаються у цьому розділі.

Тваринні клітини, дріжджі Рослинні клітини

Мітохондрії

Окиснення жирних кислот не відбувається

Окиснення жирних кислот

Утворення ацетил-CoA

Синтез кетонових тіл

Подовження ланцюга жирних кислот

Ендоплазматичний ретикулум

Синтез фосфоліпідів

Синтез стеролів ( завершальні стадії)

Подовження ланцюга жирних кислот

Десатурація жирних кислот

Цитозоль

Утворення NADРН ( пентозофосфатний шлях; малік-ензим)

Високе відношення [NADРН]/[NADР ⁺]

Синтез ізопреноїдів та стеролу ( початкові стадії)

Синтез жирних кислот

Хлоропласти

Утворення NADРН, АТР

Високе відношення [NADРН]/[NADР ⁺]

Синтез жирних кислот

Пероксисоми

Окиснення жирних кислот ( → Н₂О₂)

Каталаза, пероксидаза: Н₂О₂ → Н₂О

Рисунок 21-9

Утворення NADРН. Два шляхи утворення NADРН: каталізований малік-ензимом (а) та пентозофоссфатний (б).

Малат малік-ензим Піруват (а)

Глюкозо-6-фосфат пентозофосфатний шлях Рибулозо-5-фосфат (б)

Рисунок 21-10. Човниковий механізм перенесення ацетильних груп з мітохондрій у цитозоль. Усі наведені тут сполуки вільно проникають через зовнішню мембрану мітохондрій. Піруват, що утворюється внаслідок або катаболізму амінокислот у мітохондріальному матриксі, або гліколітичного розщеплення глюкози у цитозолі, перетворюється на ацетил-CoA також у матриксі. Ацетильні групи переносяться з мітохондрій у складі цитрату; у цитозолі вони використовуються у вигляді ацетил-CoA для синтезу жирних кислот. Утворений у цитозолі оксалоацетат відновлюється до малату, який повертається у мітохондріальний матрикс і перетворюється знову на оксалоацетат. Існує також альтернативний шлях перетворення малату у цитозолі – його окиснення малік-ензимом з утворенням цитозольного NADРН та пірувату, який повертається у мітохондріальний матрикс.

Матрикс Внутрішня мембрана Зовнішня мембрана Цитозоль

Вправо: Цитрат цитратліаза Ацетил-CoA Синтез жирних кислот

Оксалоацетат малатдегідрогеназа Малат

малік-ензим Піруват

Транспортер пірувату Піруват Транспортер малату/-кетоглутарату

піруваткарбоксилаза

Малат малатдегідрогеназа Оксалоацетат

цитратсинтаза

Ацетил-CoA Амінокислоти піруватдегідрогеназа Піруват Глюкоза

Цитрат Транспортер цитрату

Рисунок 21-11. Регуляція синтезу жирних кислот. (а) У клітинах хребетних тварин синтез попередників для утворення малоніл-CoA регулюється як алостерично, так і шляхом гормонозалежної ковалентної модифікації. У рослин ацетил-CoA-карбоксилаза активується внаслідок змін рН та [Mg²⁺], які відбуваються під дією світла (тут не показано). (б) Електронна мікрофотографія філаментів ацетил-CoA-карбоксилази (в активній, дефосфорильованій формі).

Цитрат цитратліаза активація, спричинена інсуліном Ацетил-СоА ацетил-СоА-карбоксилаза фосфорилювання/інактивування, спричинене глюкагоном чи епінефрином Малоніл-СоА Пальмітоїл-СоА

Рисунок 21-12. Шляхи синтезу жирних кислот. Пальмітат є попередником у синтезі стеарату, насичених жирних кислот з довшим ланцюгом, а також мононенасичених кислот пальмітолеату та олеату. Організм ссаців не здатний перетворювати олеат на лінолеат або -ліноленат ( затінені червоним), тому ці незамінні жирні кислоти мають надходити з їжею. На рисунку схематично показано перетворення лінолеату на інші поліненасичені жирні кислоти та ейкозаноїди. У назвах ненасичених жирних кислот вказують кількість атомів вуглецю, а також кількість і положення подвійних зв’язків, як це наведено у табл. 10-1.

Пальмітат 16:0 елонгація десатурація Пальмітолеат 16:1 (⁹)

Стеарат 18:0 елонгація десатурація Довші насичені жирні кислоти Олеат

десатурація ( лише у рослин) Лінолеат 18:2 (^9,12) десатурація - Ліноленат 18:3 (^{6, 9,12}) елонгація Ейкозатріеноат десатурація Арахідонат 20:4 ((^5,8,11,14)

десатурація ( лише у рослин) -Ліноленат 18:3 (^9,12,15)

Інші поліненасичені жирні

Рисунок 21-13 Перенесення електронів у реакціях десатурації жирних кислот у хребетних. Блакитними стрілками позначено шлях електронів у реакціях окиснення молекулярним киснем двох субстратів – ацил-CoA та NADPН. Ці реакції протікають на порожнинній поверхні гладкого ЕР. У рослинах діє аналогічний шлях, проте переносниками електронів є інші сполуки.