Филиппович Ю.Б. - Основы Биохимии

Диоксиацетонфосфат изомеризуется в 3-фосфоглицериновый альдегид, ко­

торый затем вступает в обмеННЬJе реакции. рассмотренные ранее (см. гл. VIII).

Наибольший интерес в процессах обмена продуктов гидролиза триглице­

ридов представляет судьба высших жирных кислот. Первые гипотезы относи­

тельно механизма их распада были высказаны в начале нашего столетия

(Ф. Кнооп, 1904). В дальнейшем они были уточнены и развиты благодаря

работам лабораторий Ф. Линена, Д. Грина, С. Очоа, Г. Ларди и А. Лениндже­

ра. Современные данные по этому вопросу сводятся к следующему. Считают,

что высшие жирные кислоты разрушаются преимущественно путем Р-окисле­

ния. Ненасыщенные высшие жирные КИСЛОThI (олеиновая, линолевая, линоле­ новая и др.) предварительно восстанавливаются до предельных кислот. Окис­

ление предельных высших жирных кислот осуществляется ступенчато, путем

отщепления От их молекул двууглеродных фрагментов. Все реакции многоста­

дийного окисления ускоряются специфическими ферментами, причем начиная

с третьей фазы (см. ниже) они собраны в виде метаболона с М=26ОООО Да.

Первая фаза распада высших жирных кислот заключается в активировавни

их путем образования соединения с коэнзимом А (КоА), содержащего макро­

эргическую связь. Последняя, видимо, способствует более гладкому протека­ нию реакций окисления образовавшегося соединения, которое называют ацил­ коэнзимом А (ацил-КоА). Взаимодействие высших жирных кислот с КоА ускоряется специфическими лигазами- ацил-КоА~иитетазами трех видов спе­

цифичных соответственно ДЛЯ кислот с коротким, средним и длинным углево­

дородными радикалами. Они локализованы в мембранах эндоплазматической сети и в наружной мембране МIJТОХОНДРИЙ. По-видимому, все ацил-КоА­

синтетазы являются мультимерами; так, фермент из микросом печени имеет

М = 168 000 и состоит из 6 идентичных субъединиц с М= 28 000.

Уравнение реакции активирования высших ЖИРНЬJх кислот перед их окисле­

нием таково:

390

06разующийся в этой реакции IШрофосфат энерmчно расщепляется до

НзРО4 при участии пирофосфатазы, что обеспечивает смещение равновесия

всего процесса вправо.

Вторая фаза распада высших жирных кислот состоит в окислении ацил­ КоА при посредстве ацил-КоА-дегидрогеназы, содержащей флавинадениндину­

клеотид (ФАД, см. с. 120) в качестве кофермента:

Существует, по меньшей мере, три ацил-КоА-дегидрогеназы, предпо­

читающие короткие, средние и длинные ацильные радикалы соответст­

венно.

Третья фаза окисления высших жирных кислот состоит в присоединении

молекулы воды по месту щюйной связи дегидроацил-КоА. Эта реакция уско­

ряется соответствующими гидролназами. Так как присоединение воды (гид­

ратация) идет по двойной связи (двойная связь условно обозначается частицей

ен), то эти ферменты по современной номенклатуре наЗЬJвают еноил-КоА­

гидрапi.зами. Один из них специфичен к цисформам дегидроацил-КоА, дру­

гой-к транс-формам:

Четвертая фаза распада высших жирных кислот заключается в еще одном

окислении путем оmятия двух атомов водорода от Р-углеродного атома (отсюда и весь рассматриваемый здесь механизм носит название Р-окисления).

Как и во второй фазе процесса, снятие атомов водорода осуществляется

оксидоредуктазой, но с НАД+ В качестве ·кофермента. Фермент специфичен

l'-оксивцил-КоА­

дсгидрогснв]в

ClSH31-1:-СН2-СО-SКОА ::;";::=7::;;:::;'\~=:!": СlSНЭ1-g-СН2-СО-SКОА

Наконец, последняя, пятая фаза распада сводится к переносу предобразо­

ванной в молекуле P-кетоацил-КоА новой ацильной группировки на молекулу КоА. Этот процесс ускоряется соответствующей ацилтрансферазой, которую

предпочитают называть Т80лазой, так как сама реакция, по существу, представ­ ляет расщепление С-С-связи с присоединением по месту разрыва элементов

НS-группы (тиолиз):

391

Жирные кислоты

онI онI _ ~+1~АТФ+НS-КоА

R-СО-SКоА ~HAД.H+H+

~R1-СН2-С0-SКоА

/JsKOA

СНэ-СО-SКоА

Рис. 123. «Спираль» окисления высших жирных кислот

в результате описанных выше реакций молекула высшей жирной кислоты

(стеариновой в нашем примере) укорачивается на два углеродных атома

с четным числом углеродных атомов является ацетил-КоА, а с нечетным­ пропионил-КоА.

Если бы ацетил-КоА накапливался в организме, то запасы HSKoA скоро

исчерпались бы и окисление высших жирных кислот остановилось. Но этого не

происходит, так как КоА быстро освобождается из состава ацетил-КоА. К этому

приводит рядпроцессов: ацетил-КоА вк.лючается в циклтрикарбоновых и дикар­ боновых кислот (см. рис. 117) или весьма близкий к нему глиоксилевый цикл (см. ниже), или, наконец, ацетил-КоА используется для синтеза полициклических

спиртов (стеролов) И соединеllИЙ, содержащихизопреноидные группировки и т. п.

р-Окисление высших жирных кислот протекает в митохондриях. Естествен­

но, что, поскольку в них же локализованы ферменты дыхательного цикла,

ведyuцие передачу атомов водорода и электронов на кислород сопряженно

с окислительным фосфорилированием, Р-окисление высших жирных кислот

может явиться источником энергии для синтеза АТФ.

В некоторых случаях высшие жирные кислоты представляют единственные

вещества, окисление которых служит источником энергии для окислительного

-фосфорилирования (биосинтез белка в шелкоотделительной железе шелко­

пряда, полет насекомых).

В бесструктурной части клеточного содержимого тоже есть ферментные

системы, способные окислять высшие жирные кислоты. Окисление, идущее

392

здесь, осуществляется по сх-углеродному атому и называется сх-окислением.

В нем принимают участие Н2О2 и фермент-пероксидаза:

(пальм ктат: Н.О.-ОКСИДО.

ре,цуктаза)

Пальмитино... HHCJ!oтa

Пl!итuецИЛО8ЫЙ

аЛЬдеrllД

Альдегид высшей жирной кислоты окисляется при посредстве деmдрогена­

зы в высшую жирную кислоту, и процесс повторяется снова:

Альдеrиддсrидро"'rеНI]1-

НАД(Ф)Н+Н+

ПентадециповlUI

кислота

Так укорачиваются цепи высших жирных кислот, содержащих в своем

составе от 15 до 18 углеродных атомов. Указанный дополнительный путь сх-окислении высших жирных кислот характерен только для растений. Сущест­

вует также ферментная система, обеспечивающая ro-окисление, т. е. окисление по СНз-группе радикала высших жирных кислот. Она изучена в микросомtюй фракции печени и у микроорганизмов. Сначала под действием монооксигена-

-зы (см. гл. Х) возникает m-оксикислота, а затем-дикарбоновая высшая жир- -,~ая кислота. Последняя укорачивается с любого конца посредством реакций

-j3-0кисления.

Обмен ацетил-КоА. Выше отмечалось, что ацетил-КоА быстро

-расходуется, высвобождая свободный HSKoA. Следовательно, в реак­ циях Р-окисления высших жирных кислот HSKoA и его ацильные про­

изводные, будучи коферментами, выполняют каталитическую функ-

Одним из процессов, в результате которого осуществляется регенера­

ция HSKoA, является образование ацетоуксусной кислоты. Этот путь

преобразования ацетил-КоА широко представлен в митоховдрвях пече­ ни. Сначала две молекулы ацетил-КоА конденсируются с образовани­ ем P-кетобутирил-КоА и выделением одной молекулы свободного

HSKoA:

АЦet1lJI-КоЛ:

СНЗ-со-SKoA +СНз-со",SKoA

I ацетил-КоЛ­

ацетилтранс­

фераза

HSKoA +СНз-СО-СН2-со-SKoA

Далее HSKoA высвобождается из состава P-кетобутирил-КоА. Известно

несколько реакций, приводящих к такому результату. Среди них преобладает

реакция, в которую вовлекается еще одна молекула ацетил-КоА:

393

P-Кетобутирил-КоА Ацетил-КоА

~НЗ

-......- HOOC-СН2-С!-НСН2-СО-SКоА + HSKoA

Р-Окси-Р-метилrлутарил- КоА

06разовавшийся в результате реакции конденсации Р-окси-Р-метилглута­

рил-КоА представляет весьма ьажпое соединение, так как из него может

синтезироваться мевалоновая кислота - ключеВQе соединение в синтезе стеро­

лов и изопреноидов (см_ с_ 402)_ Однако в данном случае (т. е. в митохондриях

печени) P-окси-р-метилглутарил-КоА распадаеТСJl на ацетоуксусную кислоту

и ацетил-КоА:

СНз

Р·Оkси-l\·меtилглyrарил-КоД

---+~ СНз-СО-СН2-СООН+СНзСО-SКоА

Auетоужсусиаll кислотll Ацеmл-КоА

в результате перечисленных выше реакций из двух молекул ацетил-КоА

синтезируетсй одна молекула аnетоуксусной кислоты и высвобождаются две

Другой распространенный путь обмена ацетил-КоА-это взаимодействие

с енольной формой щавелевоуксусной кислоlы с образованием цвтрил-КоА,

т. е. вступление в цикл трикарбоновых и дикарбоновых кислот. При mдролизе цитрил-КоА высвобождается HSKoA, а лимонная кислота обменивается далее в соответствии с ранее рассмотренной схемой (см. рис. 117); Такой путь обмена ацетил-КоА xapatcTepeH для митохондрий подавляющего больпшнства тканей-почек, мышц и т. Д., за исключением печени.

Известно еще много процессов, которые ведут к высвобождению HSKoA из состава ацетил-КоА. Ацетил-КоА является универсальным донором аце.­

тильных групп для реакций ацетилирования. Существует более десяти специ­

фических ацетилтрансфераз, обеспечивающих ускорение реакций переноса аце­

тильных остатков (синтез ацетилхолина, N-ацетилглюкозамина и Т. п.) Во всех случаях выделяется свободный HSKoA.

Высвобождение HSKoA из состава ацетил-КоА может сопровождаться

накоплением щавелевоуксусной кислоты. Это происходит 8 том случае, когда

ацетил-КоА обменивается при посредстве так называемого глиоксилевого

цикла. В значительной мере химические процессы, протекающие при осуществ­ лении глиоксилевого цикла, совпадают с таковыми цикла дикарбоновых

и трикарбоновых кислот (см. рис. 117). Все идет одинаково, вплоть до 06-

394

разоеания изолимонной КИСЛОТЫ. Однако в глиоксилевом цикле ИЗОЛИМОННaJ[

кислота расщепляется на янтарную и глиоксилевую КИСЛОТЫ:

Янтарная кислота тем же путем, как и в цикле дикарбоновых и трикзр-

60НОВЫХ кислот, превращается в щавелевоуксусную кислоту. Глиоксилевая же

кислота конденсируется с новой молекулой ацетил-КоА и образует в конечном

счете свободный HSKoA и яблочную :кислоту:

Последняя, дегидрируясь, дает начало одной молекуле щавелевоуксусной кислоты. Таким образом, при помощи глиоксилевого цикла ацетил-КоА пре­

вращается в щавелевоуксусную кислоту и' свободный HSKoA. Этот процесс

имеет огромное значение для обеспечения в организме синтеза углеводов за

счет распадающихся высших жирных кислот.

О бм е н про п и о н ил- К о А. Пропионил-КоА, являющийся конечным

продуктом Р-окисления высших. жирных' кислот с неч~тным числом углерод­

ных атомов, превращается в сукцинил-КоА путем двух последовательных

реакций:

Далее сукцинил-КоА утилизируется через цикл трикарбоновых и дикарбо­

новых кислот.

Синтез высших жирных кислот. Долгое время считали, что синтез

высших жирных кислот идет путем обращения реакции Р-окисления высших жирных кислот. Однако после того как было обнаружено, что для его осущест­ вления необходим не только ацетил-КоА, но и СО2 (из которых при посред­

стве АТФ-зависимой реакции возникает малонил-КоА), а сам процесс ускоря­

ется синтетазой высших жирных кислот, локализованной в растворимой фрак­

ции клетки, эта точка зрения была оставлена. В 60-е годы огромную роль

395

в расшифровке механизма биосинтеза высших жирных кислот сыграли работы

Ф. Линена и сотр.

Современные представления о биосинтезе высших жирных кислот в ор-

Начальный этап биосинтеза высшей жирной кислоты, приводящий К синтезу малонил-КоА, ускоряется полифуикциоиальвым ферментом (М = 225000 Да), содержащим домен биотинкарбоксилазы, биотин-карбоксил­ проводящий домен и домен транскарбоксилазы. Первый домен обеспечивает

ускорение реакции кар60ксилирования биотина (рис. 124), который через ра­

дикал лизина присоединен ко второму, биотин-карбоксилпроводящему доме­

ну. Обладая высокой степенью подвижности, карбоксилированный биоmн

переносит СО2 в активный центр третьего домена-транскарбоксилазы, кото­ рый снимает с него СО2 и непосредственно передает его на ацеmл-КоА, образуя малонил-КоА:

С~f~ТФ+Н'О

CH)-СН-СН2-СО-SКоА

I

ОН

р -ОlCсибyrирил-КоА

~/J-Оксиацип-КоА­

дегндратаэа

Н20

снз-сн CH-СО-SКоА Кротонил-КоА

НАдфн+н=lЕноилреД)'J:та38

НАДФ+

CH)-СН2-СН2-СО-SКоА

. Бутирил-КоА

Схема 10. Механизм биосинтеза высших жирных кислот

Многократное повторение наращивания радикала на два ато­

ма углерода приводит к синтезу кислот, содержащих 16 и бо­

лее углеродных атомов.

396

I

Рис. 124. Механизм биосинтеза малонил-КоА (пояснения в тексте)

в мономерном состоянии ацетил-КоА-:карбоксилаза не активна и при­ обретает способность карбоксилировать СНзСО-SКоА только после

соединения мономеров в нитевидный олигомер с молекулярной массой

в несколько сотен миллионов и длиной -около 500 нм. Процесс олиго­

меризации регулируется аллостернчески присоединением - лимонной кис­

лоты.

Кроме того, активность ацетил-КоА-карбоксилазы регулируется ее фосфо­

рилироваиием (снижение) и дефосфорилированием (повышение). Таким обра­ зом, интенсивность работы цикла трикарбоновых и дикарбоновых кислот

и уровень протеинкиназных и протеинфосфатазных реакций предопределяет

объем биосинтеза высших жирных кислот, последующие стадии которого осуществляются при посредстве второго полифymщионального энзима-син­

тетазы BЫCUIНX жирных кислот.

Этот комплекс у вьiсокоорганизованных форм (млекопитающие, птицы,

насекомые) характеризуется М= 400 000--560 000, а у низкоорганизованных

(микобактерии, низцmе грибы, жгутиковые)-1,4·06-2,3·106• В нем сосре­

доточены все каталитические активности, необходимые для обеспечения мно­ гоступенчатого биосинтеза высших жирных кислот, а также ацилпроводящий

домен, функция которого состоит в передвижении ацильной группы от одного субдомена к другому в строгом соответствии с Химизмом этого

процесса. Представление о работе синтетазы высших жирных кислот дают

рис. 125 и 126.

В первом случае (рис. 125, синтетаза из печени цыпленка) каждая его полипептидная цепь длиной около 2300 аминокислотных остатков образует

3 домена и 8 субдоменов, с каждым из которых связана определенная

функция. Однако один из субдоменов, а именно-обладающий р-кетоацил­ синтетазной активностью, работает только в паре с другой такой же полипе­

птидной цепью, расположенной по отношению к первой по прапилу «голова

к хвосту». Он перебрасывает ацетильную (первый цикл синтеза) или аци­

льную (последующие циклы) группу со своего остатка цистеина (рис. 125) на

малонильный остаток, закрепленный на НS-группе пантотеиновой «руки»

397

с:интетазы

(IIОIIДСНCllpУ1ОщиI!:

с:уБJlОWCН)

HS

§>tJ

~

РиС. 125. Строение и механизм деiiствиSf синтетазЪt высших жирных J(ИСЛОТ пече­

ни цыплешса:

uвфрами обозвачены МDлеКУЛllpные мeccu (ll)1a) су6домевов. Остальные I\IIJICIIeНИ.-В тексте

ацил-перепосящего субдомена Qоседпей су6ъединицы. ВозвЯI<ШИЙ Р-кето"

ацильный остаток при помоЩИ ТОЙ Же пантотеиновой руки перемещается по

остальным трем субдоменам домена 11 (восстанавливающего р-кетоацил

в ацил). Далее ацетил (ацил) трансферазный домеН элонгационного домена

1 посылает эту ацильную группу на НS-группу остатка цистеина 3-кетоацил­ синтетазного субдомена и начинается новый циюt удлинения цепи, но уже на

соседней субъединице синтетазы высших жирных кислот. По достижении

ацильным радикалом длины в 16 атомов углерода он отщепляется тио" эстеразой в виде ацил-КоА.

Во втором случае (синтетаза из дрожжей) принцип согласованной и вза·

имозависимой работы субъединиц синтетазы высших жирных кислот остается в силе (рис. 126, пояснения в подрисуночной ПОДlШси).

398

Синтез триглицеридов. Из глицерина и высших жирных кислот при

каталитичеСКОl\4 воздействии липазы in vitro удается получить триглицерид.

В связи с этим полагали, что и in vivo липаза может проявлять не только гидролитическое, но и синтезирующее действие и что с ее помощью могут

возникать триглицериды путем обращения реакции гидролиза. В последние годы доказана принципиалъно иная схема биосинтеза триглицеридов, в ко­

торой отправными веществами служат ацил-КоА и фосфоглицерин, а фер­ ментами-ацилтрансфера3Ы. Учитывая общую тенденцию в эволюции на­

ших представлений в сторону совершенно четкого разграничения и опреде­

ленного различия путей распада и синтеза основных классов органических

соединений в биологичесmх объектах (см. синтез и распад белков, HYКJIe­ иновых кислот, полисахаридов), несомненно, что синтез жиров путем об­

ращения гидролиза вряд ли широко представлен в природе и что главный путь ВОВОобразоваННR триглицерндов ]акЛ}ОчаеТ~R в О~УlQе~твлении реакций

тран~аQИлнроваННR.

Как упоМЯНуто выше, исходными веществами при синтезе триtлицеридов

посредством реакций трансацилирования являются сх-фосфоглицерин и разно­ образные ацил-КоА. Первый возникает при фосфорилировании глицерина или при восстановлении фосфодиоксиацетона. Прямое фосфорилирование глице­

рина характерно для почек животных, а также микроорганизмов. Восстановле­

ние фосфодиоксиацетона идет в мышцах, слизистой кишечника и т. п. Вторые

синтезируются либо путем активирования высших жирных кислот, либо путем

новообразования из ацетил-КоА (см. выше). Вначале посредством реакций

трансацилирования синтезируется фосфатидная кислота:

399