Филиппович Ю.Б. - Основы Биохимии

ОН rЛJIII~ОфDСф8r

2С1.нЗl-СО-SКоА + НО-Щ-СН(ОНJ-сн.-о-,~=о циmpаксфepua ,

ОН

--I'lIlII&ерофосф8r

CН.-O-CO-C1,H,1

--+. CH,I -О-СО-сIаН,. + 2HSKoA

СН.-О-Р-О

н6'он

1,2-Диnan"NIIТIIJI-3-фосфо.-ЛIIIICРИН (фосфат""ваl """"ота)

При участии фосфатазы фосфатидная кислота гидролизуется с образовани­

ем диглицерида и фосфорной кислоты:

1,2-Д8П8I1ЬNIIТIUI.з-фocфor_ерJDI

Диглицерид вступает снова во взаимодействие с ацил-КоА и образуется

триглицерид. И эта реакция ускоряется трансацилазой:

Дигnнперид-

аuилтрансфераза

Дипanьмитив

Ферменты, ускоряющие синтез триглицеридов в соответствии с приве­ денными выше уравнениями, найдены в печени, слизистой оболочке кишеч­

ника, жировой ткани и т. п. Интересной особенностью всех указанных

ферментов является их липопротеиноваи (за исключением глицеролкиназы)

природа. Они ведут синтез триглицеридов на мембранах эндоплазматиче­

ской сети клетки. По мере своего возникновения триглицериды мигрируют

и поглощаются жировыми включениями клетки. Из тканей, активно син­ тезирующих триглицериды (например, печень). они переходят в ткани. где

нет активного синтеза (например, кровь). В организме животных существу­

ет обычно несколько жировых депо с медленно обменивающимися тригли­

церидами.

400

Механизм биосинтеза триглицеридов через фосфатидные кислоты в качест­

ве метаболитов не является единственным. В слизистой оболочке кишечника

синтез триглицеридов идет из (3-моноглицеридов при посредстве весьма актив­

ной моноглицеридтрансацилазы:

Само собой разумеется, что диглицерид превращается далее в триглицерид

при каталитическом участии диглицеридтрансацилазы (см. предыдущее урав­

нение). Моноглицеридный тип биосинтеза энергетически вдвое выгоднее фос­ фатидного пути. Кроме того, недавно обнаружена диоксиацетонфосфатацил­ трансфераза, которая может открывать еще один путь биосинтеза ацилглице­

ринов.

О б м е н с т е р иД о в. Вступая на путь распада, стериды сразу же гид­ РОЛИЗУЮТСА на ЖИРНУЮ КИСЛОТУ и стерол. Поскольку стериды представляют собой в химическом отношении сложные эфиры высших жирных кислот

и полициклических спиртов (стеролов), то реакция гидролиза ускоряется холестеролэстеразой, действующей также на сложные эфиры других стеролов

(см. с. 381).

Холестеролэстераза выделена из поджелудочной железы ряда животных

и человека; она представлена мономером с М = 65 000-69 000, склонным

к олигомеризации (М = 300 000-800 000).

Что касается высших жирных -кислот, высвобождающихся из состава стеридов при гидролизе, то они далее могут либо использоваться для ресинтеза липидов, в том числе и стеридов, либо распадаться до ацетил­

КоА и потом-,дО СО2 И Н2О. Поэтому рассмотрим, как протекает далее

обмен стеролов- второго компонента, образующегося при гидролизе сте-

ридов. ,

Распад сmеролов. Та часть стеролов, которая не используется для ресин­

теза стеридов, подвергается видоизменению. Простейшее видоизменение состоит в восcrановленни стеролов по двойным связям. Так, холестерол у человека и высших животных !lревращается в диги:дрохолестерол (холеста­ нол), который в виде конформера (копростанола-см. с. 380) выводится из

организма:

2Н

\..

Более сложный характер носит видоизменение стеролов путем окисления.

Сначала появляются ОН-группы в положениях 7 и 12 циклопентанопергид­

рофенантренового цикла, а затем окисляется боковая цепь, в которой возника­

ет СООН-группа (положение 24). В результате образуются холевые кислоты.

Подсчитано, что до 80% холестерола ПJ?евращается в печени в различные

401

хОЛевые кислоты. При более полном окислении стеролов могут :возникнуть стероидные гормоны (см. с. 444). Таким образом. часть стеролов превращает­

ся в процессе окисления в различные соединения, выполняющие в организме

важные функции.

Сzmmез сmеролов u сmерuдов: Механизм биосинтеза стеролов долгое

время оставался 'загадочным, хотя давно было известно, что стеролы бес­

препятственно синтезируются у большинства органических форм (исклю­ чение составляют, например, насекомые). Лишь применеtше метода меченых атомов позволило расшифровать этот оказавшийся довольно сложным

процесс, основные этапы которого, видимо, совпадают у самых различныХ

организмов.

Синтез стеролов осуществляется из ацетил-КоА в качестве исходного вещества. Первые стадии биосинтеза совпадают с реакциями, которые бьmи описаны выше при рассмотрении обмена ацетил-КоА. Напомним, что в ре­

зультате двух последовательно протекающих при этом реакций из трех МОле­

кул ацетил-КоА образуется одна молекула p-окси-Р-метилглутарил-КоА. Это соединение ферментативным путем восстанавливается в мев8ЛОВОВУЮ кислоту;

восстановление идет по макроэргической связи и сопровождается выделением

М=32 000, но молекулярная масса втрое выше (97092 Да, 887 аминокислот­

ных остатков) у фермента из яичников китайского хомячка. Обе активны

только в дефосфорилированном состоянии, тогда 1<а1< протеин:киназная реак­

ция их полностью инакmвирует. Этот фермент считают ключевым при биоси­

нтезе стеролов, так как он успешно конкурирует за субстрат с ферментами

других метаболических путей. .

Мевалоновая кислота дважды фосфорилируется по б-гидроксильной rpуп­

пе. Донором остатков фосфорной кислоты в этих реакциях служит АТФ. Процесс ускоряется специфическими фосфотрансферазами:

СН]

11 111., I

HOOC-СНz-С-СНz-СНzОН

!Н

МевanоиоВIUI кислота

ПнрофосфомевалОНОВаА кислота

Пирофосфомевалоновая кислота декарбоксилируется. ОДНО8ременно

осуществляется реакция дегидратирования и образуется изопентенилпиро­ фосфат:

402

·

Указанные реакции трансалкилирования поддерживаются сопутствующим

гидролизом пирофосфата при участии пирофосфатазы:

о"

Две молекулы фарнезилпирофосФата соединяются по месту присоединения

пирофосфатных группировок с отщеплением последних. Источником атомов

водорода при образовании молекул пирофосфата является НАДФН. Уравне­

ние данной реакции можно представить в виде следующей схемы:

Фарнезиnпнрофосфат

~~

2HO-r-o-Y-OH

СI<вален

в результате реакции получается непредельный углеводород-сквален, соста­

вленный из 6 изопреноидных группировок. Процесс ускоряется сквален-синтазоЙ.

изучеlШе которой затруднено ее тесной ассоциацией с эндоплазматической сетью

и ее фосфолипидной составляющей. Однако выяснено, что при извлечеmш фер­ мепта из микросомальяой фракции без применения детергентов (с использовани­ ем ультразвуковой дезинтеграции и т. п.) его М=450000, а с использованием детергента-54500. Сквален-синтаза обладает двумя центрами связьmания фар­

незилпирофосфата, расположенными, возможно, на разных субъединицах.

Молекула сквалена легко принимает пространственную конфигурацию,

близкую к пространственной коНфигура~и стеролов, и столь же легко окисля­ ется по крайней двойной связи с образованием сквален-2, 3-0ксида с помощью сквален-эпоксидазы, относящейся к подклассу моноксигеназ (см. с. 419): Про­

тонирование эпоксидной группы приводит К сдвигам электронной плоmости

в системе ДВОЙНЫХ связей сквалена и замыканию (показано стрелками) шести­ членных и пятичленных циклов, характерных для стеролов. Схема указанного

перехода скваленоксида в стерол представлена ниже:

~НЗ

404

Ее особенность состоит в том, что при замыкании кольца С стерола

неизбежно происходит переброска СНз-группы йз положения 8 в положе­ lШе 13 и элиминирование протона от 9-го углеродного атома цикла.

Так протекает процесс в эндоплазматической сети клеток печеlШ. Что

касается растений и других оргаlШзмов, то циклизация сквален-2,3-0ксида идет у них с помощью других циклизующих ферментных систем и с иными

конечными продуктами, нежели ланостерол.

Путем преобразования ланостерола и других первичных продуктов цикли­ -зации возникают разнообразные индивидуальные стеролы, характерные для

животного и растительного царства. Преобразование это многоступенчато; например, только удаление двух метильных групп при 4-м углеродном атоме кольца А (путем их окисления и последующего декарбоксилирования) осуще­

ствляется в 12 стадий.

Биосинтез стеридов протекает путем переноса остатка высшей жирной кислоты от молекулы ацил-КоА на место водорода ОН-группы стерола при

каталитическом воздействии холестерол-ацилтрансферазы:

+ HSKoA

ИСТОЧlШком ацильных групп при биосинтезе стеридов может также слу­

жить фосфатидилхолин. Так, например, синтезируются холестериды лимфы

и плазмы крови у человека при участии фосфатидилхолин-холестерол-аци.Il­ трансферазы.

В заключение подчеркнем, что диметилаллилпирофосфат и изопентевил­

пирофосфат служат универсальными исходными соединениями для биосин­

теза ряда других полиизопреноидов-каротиноидов, каучука и т. п.

Обмен фосфатидов. Пути распада фосфатидов. Современиые пред:­

ставления о путях распада фосфатиДов в оргаlШзме основаны главным об­ разом на тщательном изучеlШИ превращений, которые свойственны фосфати­

дам вне оргаlШзма при воздействии на них теми или иными ферментами.

Поэтому когда говорят о путях распада фосфатидов, то имеют в виду скорее

возможные, чем действительные, пути их деструкции. Непосредственно в био­ логических объектах эти пути исследованы еще недостаточно. Однако извес­

тно, что время полужизни фосфатидилглицерина и дифосфатидилглицерина

у бактерий составляет 1 и 2 ч соответственно, а период полужизни фос­ фоинозитидов И сфингомиелинов в мозге крысы-12,5 и 40 суток COOTB~

венно.

Фосфатиды распадаются на составляющие их структурные единицы­ высшие жирные lCислоты, фосфорную кислоту, азотистые основания и глице­ рин-гидролитическим путем. Реакции гидролиза, приводящие к разрушеlШЮ

сложноэфирных связей в молекуле фосфатида, ускоряются ферментами­ фосфолипазами. которые относятся к подклассу эстераз (класс гидролаз).

В зависимости от того, гидролиз какой из четырех имеющихся в молекуле

фосфатида сложиоэфирных связей ускоряет фосфолипаза, ее характеризуют как фосфО.J'Iипазу А, В, С или D (схема 11).

Из схемы видно, что фосфолипазы А1 и А2 ускоряют реакцию отщепления

а- и l3-ацильных радикалов в молекуле фосфатида; они характерны для

животных и локализованы первая в эндоплазматической сети, а вторая-в

405

a-ФОСФОГЛИЦlРИИ

Н20"",IФОСфОIIО_О-

t ,стероа

/"

ch,oH-СН(ОН)-СН2ОН + НзРО.

Глицерии

Схема 11. Пути распада фоСфолипидов

митохондриях, образуя при гидролизе Р-ацил-лизолецитин и a-ациЛ-JПIзолеци­ тин соответственно. Фосфолипазы А могут секретироваться и присутствуют, например, в ядах змей. У животных есть также фосфолипаза В, действующая

на обе связи. Путь распада фосфатидов, открывающийся действием фосфоли­

пазы С, присущ микроорганизмам, а фосфолипазы D-растениJIМ.

Наиболее детально изучены, включая первичные и вторичные (рис. 127,А) структуры, фосфолипазы А2 из ядов змей и других источников. При молекуляр­

ных массах в 11000-15000 и минимум 4 дисульфидных мостИICах они имеют активный центр, содержащий радикалы гистидина И аспарагиновой кислоты и работающий по схеме, характерной для ускорения гидролитичесЮIX реаюхий

(см. с.332). Установлено также, что фосфолипазы функционируют в виде

димеров, где одна субъединица осуществляет каТaJПIтический акт, а 8торая­ удаление отщепленного остатка высшей жирной кислоты (рис. 127, Б).

406

115

ц,v Л n

а -спираль р-изгиб р-слой

Рис. 127. Гипотетическая схема.mдролиза фосфатидов фосфолипазой А2 из JlДa среднеази- атской кобры:

А-вторичная структура фосфОЛИП8ЗЫ А.; Б-схема гидролиза-на 1-й ступени реаlШИИ (k,) вmнпает фермепт­

субстратный комплекс. в котором ацильная группа при "'-углеродном атоме остатка глицерина располагаете. в субстраt­ ном центре. а остаток фосфорной КИСЛОТЫ с присоединенвым к нему азотистым основанием- в каталиТИЧecJ[ом центре фосфолипазы А2• На 2-й ступени (k2 ) к фермент-субстратному комплексу прнсоедmuteтcll втора. молекула фермевта,

связывающая в своем субстратном центре аЦlШЬНЫЙ радикал при jl-углеродном атоме остатка глицернва молекулы

фосфатида. На Зой ступени реаКЦИИ (k,) осуществляется гидролиз r;:ло",нозфИРНQЙ СВtlЭи при jl-углеродиом атоме

и удаление из зоиы реакции ацильного радикала 8ысшеli ЖИРНОЙ пслоты. На 4-й ступени (k4 ) днмер фосфолиnaзы А2

распадается: с одним из протомеров остаетс. связанным "'-ЛИЗОфосфатв:д, с другим-высwa. JЮtpна. пслота. На S-й ступени (k,) высвобождаются коиечные продукты реаlЩИИ

Особо следует подчеркнуть, что действие фосфолипаз на мембраны субкле­

точных частиц несомненно приводит К существенным сдвигам в функциональ­

ной активности последних. Этой роли фосфолипаз в обмене веществ и его регуляции придают в последнее время все большее значение.

Дальнейший обмен продуктов распада фосфатидов-высших жирных Пlс­ лот и глицерина, был освещен ранее. Поэтому рассмотрим здесь лишь после­

дующие превращения холина.

Одной из важнейших реакций, в которую вступает холив, по крайней мере,

в нервной ткани животных, является реакция его ацетВJIИPOВ8НИR. Источником ацетильной группы при этом служит ацетил-КоА. сама реакция ускоряется

специфическим ферментом-холин-ацетилтрансферазой:

#0

--- СНз-С

'О-СН.-СН.-~(CHI)3 + HSJ(oA

Ацетилхолин физиологически активен, так как он участвует в передаче нервных импульсов. Именно поэтому, видимо, фосфатиды, В частности холин­ фосфатиды_ являются непременной составной частью нервной ткани.

Другой реакцией, имеющей существенное значение в обмене веществ, СчИ'тают ре4КЦНЮ окисления холива в бетаин, который, в свою очередь, служит

отличным донором СИз-групп в реакциях трансметилирования (см. с. 170):

407

Бетаин, вступая в реакцию трансметилирования с гомоцистеином, образу­

ет метионин:

Как было указано выше, метионин в виде S-аденозилметионина является

универсальным источником метильных групп в реакциях трансметилирования

Не исключено, что диметилглицин теряет оставшиеся две метильные груп­

пы при атоме азота и превращается в глицин.

Механизм биосинтеза фосфатидов. Как и во многих ранее отмеченных случаях, биосинтез фосфатидов протекает совсем иным путем, чем обращение реакций их гидролиза. Первые стадии биосинтеза фосфатидов совпадают с таковыми синтеза триглицеридов. Все идет одинаково вплоть до образова­

ния фосфатидной кислоты, а из нее-диглицерида. Однако дальше в случае

биосинтеза фосфатидов на свободную ОН-группу диглицерида присоединяет­

ся остаток фосфохолина, который переносится из состава цитидиндифосфат­

холина (ЦДФ-холин) (см. верхнее уравнение реакции на с. 409).

Указанный путь биосинтеза фосфатидов был открыт Е. Кеннеди и С. Вей­

сом (1956). Реакция ускоряется специфическим ферментом-ЦДФ-холин- 1,2-диацилглицеролхолинфосфотрансферазой, локализованной в цитозоле (М = 200000) и олигомеризующейся в присутствии диацилглицеринов с семи­

кратным возрастанием активности, которая таким образом саморегулвруетCR.

Аналогично этому идет перенос остатка фосфоэтаноламина с ЦДФ-этапол­

амина на диглицерид при участии также специфического фермента. Следова­ тельно, такой путь биосинтеза вполне обоснован для лецитинов (холипфос­ фатидов) и кефалинов (коламинфосфатидов).

Возникает вопрос, каким же образом синтезируется в организме столь сложное соединение, как ЦДФ-холнн? Механизм его биосинтеза таков (см. нижнее уравнение реакции на с. 409).

ЦМФ, взаимодействуя с АТФ, переходит снова в ЦТФ и, соединяясь с фосфохолином, опять образует ЦДФ-холин. Следовательно, ЦДФ-холин вьmолняет в этом процессе каталитическую функцию, перенося остатки фос­

фохолина на диглицерид. Если сравшlТЬ этот процесс с синтезом олиго-

.408

и полисахаридов, то там подобную функцию вьmолняла УДФ-глюкоза в от­

ношении остатка глюкозы. Это дает основание утверждать, что в реакциях

биосинтеза соединения типа нуклеозидднфосфатрадикалов играют выдающу­

юся роль как доноры тех или иных остатков органических соединений. Воз­ можно, эта роль нуклеозиддифосфатпроизводных связана с их способностью.

409